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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”
INGENIERÍA ELÉCTRICA
“PROPUESTA DE OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE ILUMINACIÓN
DE LA UNIDAD DE INFORMÁTICA DE LA ESIME ZACATENCO”LA
ISLA” IMPLEMENTANDO UN SISTEMA FOTOVOLTAICO”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTAN:
JONATHAN JESÚS NAVA FIGUEROA
ASESOR METODOLÓGICO
M en C. CARLOS TEJADA MARTÍNEZ
MÉXICO D. F., MAYO 2013
Resumen
En esta tesis se presenta un análisis de cómo puede ser optimizado el sistema de
iluminación actual del sistema de alumbrado de la Unidad de Informática de la
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, zona Zacatenco, conocida
también como “La Isla”. Dicho análisis se realizó con el objetivo de tener los
niveles de iluminación establecidos en las normas vigentes, utilizando luminarias
de tecnología LED.
Para la realización de este estudio, se utiliza el programa DIALux, en el cual se
realizara la simulación de la distribución del flujo luminoso dentro de las
instalaciones de la Unidad de Informática, así como el consumo energético del
sistema de iluminación, haciendo además una comparativa entre luminarias de
lámparas fluorescentes y luminarias de tecnología LED.
Complementario a esto se diseña un sistema de generación fotovoltaico, para
alimentar el sistema de iluminación de forma autónoma, dentro del cual se realiza
el cálculo del número de paneles requeridos para alimentar la iluminación de la
Unidad de Informática, así como el cálculo de los elementos que integran el
sistema fotovoltaico, siendo estos: regulador, banco de baterías e inversor.
ii
INDICE GENERAL
Glosario ............................................................................................................................ vii
Planteamiento del Problema .............................................................................................. ix
Justificación ....................................................................................................................... xi
Limitaciones ................................................................................................................... xi
Alcances ........................................................................................................................ xi
Objetivos .......................................................................................................................... xii
Objetivo General ............................................................................................................... xii
Objetivos Particulares ....................................................................................................... xii
Hipótesis .......................................................................................................................... xiii
Sistemas de Iluminación
1.1 Introducción ............................................................................................................................. 15
1.2 Luz ........................................................................................................................................... 15
1.3 Fuentes de Luz ........................................................................................................................ 16
1.3.1 Luz Natural .................................................................................................................... 17
1.3.2 Luz Artificial ................................................................................................................... 17
1.4 Sistemas de iluminación .......................................................................................................... 17
1.5 Tipos de Lámparas .................................................................................................................. 18
1.5.1 Lámparas Incandescentes .......................................................................................... 19
1.5.2 Lámparas Fluorescentes ............................................................................................. 19
1.5.3 Lámparas de Vapor de Mercurio ................................................................................ 20
1.5.4 Lámpara de Aditivos Metálicos .................................................................................. 20
1.5.6 Lámparas de Vapor de Sodio ..................................................................................... 21
1.6 Lámparas LED ........................................................................................................................ 23
1.7 Niveles de Iluminación ............................................................................................................ 24
Generación fotovoltaica
2.1 Introducción ............................................................................................................................. 27
2.2 Energía Solar .......................................................................................................................... 27
2.3 Panel Fotovoltaico ................................................................................................................... 28
2.4 Principio de Funcionamiento ................................................................................................... 29
2.5 Factores de Eficiencia ............................................................................................................. 31
iii
Diseño del sistema de iluminación
3.1 Introducción ............................................................................................................................. 35
3.2 Normatividad aplicable ........................................................................................... 36
3.2.1. NOM-025-STPS-2008; Condiciones de iluminación en centros de trabajo. ..... 36
3.2.2 NOM-007-ENER-2004; Eficiencia energética en sistemas de alumbrado en
edificios no residenciales .......................................................................................... 38
3.3. Distribución de zonas de iluminación en la Unidad Computacional de la ESIME
Zacatenco “La Isla” ...................................................................................................... 39
3.3.1 Selección de luminarias para salas de cómputo y oficinas (Zonas 1- 8) ........... 42
3.3.2 Iluminación de pasillos, almacén bodega y sanitarios (Zonas 9-10) ................. 44
3.4. Herramienta de cómputo para el estudio luminotécnico de la unidad de informática
“La Isla”. ....................................................................................................................... 45
3.5. Diagrama de densidad lumínica y cónico de luminarias ........................................ 46
3.6 Cálculo de la iluminación de la unidad de informática utilizando el programa DIALux.
..................................................................................................................................... 48
3.6.1 Laboratorio de Diseño (Zona 1) ....................................................................... 48
3.6.2 Sala Intermedia (Zona 2) ................................................................................. 50
3.6.3 Jefatura/Laboratorio/Apoyo (UTE) (Zona 3) ..................................................... 52
3.6.4 Server (Zona 4) ................................................................................................ 54
3.6.5 Servicios (Zona 5) ............................................................................................ 56
3.6.6 Pabellón tecnológico (Zona 6) .................................................................................... 58
3.6.7 Soporte técnico (Zona 7) ............................................................................................. 60
3.6.8 Secretarial/Espera/Jefatura Unidad (Zona 8) ........................................................... 62
3.6.9 Bodega/Almacén/Sanitarios (Zona 9) ....................................................................... 64
3.6.10 Pasillo (Zona 10) ........................................................................................................ 66
3.7 Distribución general de luminarias y flujo luminoso ................................................................ 68
3.8 Tablero, circuitos derivados y selección de interruptores termomagnéticos .......................... 69
3.8.1. Selección de termomagnético ................................................................................... 69
3.8.2 Cuadro de cargas ......................................................................................................... 70
3.9 Comparativa energética .......................................................................................................... 70
Diseño del sistema fotovoltaico
4.1 Introducción ............................................................................................................................. 73
4.2 Nivel de radiación solar ........................................................................................................... 74
4.3 Estimación de uso de la carga del sistema de iluminación ..................................................... 75
iv
4.4 Dimensionamiento de los componentes ................................................................................. 76
4.4.1 Paneles fotovoltaicos ................................................................................................... 76
4.4.2 Calculo del número de paneles fotovoltaicos ........................................................... 77
4.4.3 Topología de paneles solares .................................................................................... 78
4.4.4 Banco de baterías ........................................................................................................ 79
4.4.5 Reguladores de carga .................................................................................................. 82
4.4.6 Inversor .......................................................................................................................... 83
4.5 Resultados del cálculo de elementos del sistema fotovoltaico ............................................... 84
Conclusiones
5.1 Recomendaciones ................................................................................................................... 87
Referencias ..................................................................................................................... 88
ANEXO A ........................................................................................................................ 90
v
INDICE DE FIGURAS
Fig. 1.Espectro electromagnético ..................................................................................... 16
Fig. 2. Gráfico de la geometría solar ................................................................................ 17
Fig. 3.Bombilla incandescente ......................................................................................... 19
Fig. 4.Lámpara fluorescente ............................................................................................ 20
Fig. 5.Lámpara de aditivos metálicos ............................................................................... 21
Fig. 6.Lámpara de vapor de sodio a alta presión ............................................................. 22
Fig. 7.Lámpara de vapor de sodio a baja presión ............................................................ 23
Fig. 8.Lámparas LED ....................................................................................................... 24
Fig. 9.Panel y célula fotovoltaicos .................................................................................... 29
Fig. 10.Elementos de un sistema fotovoltaico .................................................................. 30
Fig. 11.Corte transversal de un panel fotovoltaico ........................................................... 32
Fig. 12.Instalaciones de la Unidad de Informática de la ESIME Zacatenco ...................... 35
Fig. 13.Plano estructural de la Unidad Computacional de la ESIME Zacatenco ............... 39
Fig. 14.Medición de los niveles actuales de iluminación .................................................. 40
Fig. 15.Luminario Smartform LED .................................................................................... 43
Fig. 16.Luminario LuxSpace Compact ............................................................................. 44
Fig. 17.Software DIALux versión 4.11 .............................................................................. 45
Fig. 18.Diagrama de densidad lumínica ........................................................................... 46
Fig. 19.Diagrama cónico .................................................................................................. 46
Fig. 20.Diagrama de densidad lumínica ........................................................................... 47
Fig. 21.Diagrama cónico .................................................................................................. 47
Fig. 22.Niveles de intensidad luminosa en Zona 1 ........................................................... 48
Fig. 23.Ubicación luminarias Zona 1 ................................................................................ 48
Fig. 24.Niveles de intensidad luminosa Zona 2 ................................................................ 50
Fig. 25.Ubicación luminarias Zona 2 ................................................................................ 50
Fig. 26.Niveles de intensidad luminosa Zona 3 ................................................................ 52
Fig. 27.Ubicación luminarias Zona 3 ................................................................................ 52
Fig. 28.Niveles de intensidad luminosa Zona 4 ................................................................ 54
Fig. 29.Ubicación luminarias Zona 4 ................................................................................ 54
Fig. 30.Niveles de intensidad luminosa Zona 5 ................................................................ 56
Fig. 31.Ubicación luminarias Zona 5 ................................................................................ 56
Fig. 32.Niveles de intensidad luminosa Zona 6 ................................................................ 58
Fig. 33.Ubicación luminarias Zona 6 ................................................................................ 58
Fig. 34.Niveles de intensidad luminosa Zona 7 ................................................................ 60
Fig. 35.Ubicación luminarias Zona 7 ................................................................................ 60
Fig. 36.Niveles de intensidad luminosa Zona 8 ................................................................ 62
Fig. 37.Ubicación luminarias Zona 8 ................................................................................ 62
Fig. 38.Niveles de intensidad luminosa Zona 9 ................................................................ 64
Fig. 39.Ubicación luminarias Zona 9 ................................................................................ 64
Fig. 40.Niveles de intensidad luminosa Zona 10 .............................................................. 66
Fig. 41.Ubicación luminarias Zona 10 .............................................................................. 66
Fig. 42.Plano general de niveles de iluminación por zonas de estudio ............................. 68
vi
Fig. 43.Ubicación geográfica de “La Isla” ......................................................................... 73
Fig. 44.Topología de paneles fotovoltaicos ...................................................................... 79
Fig. 45.Topología banco de baterías ................................................................................ 82
Fig. 46. Diagrama unifilar ................................................................................................. 85
INDICE DE TABLAS
Tabla 1.Condiciones de iluminación en centros de trabajo .............................................. 37
Tabla 2.Eficiencia energética en sistemas de alumbrado en edificios no residenciales .... 38
Tabla 3.Zonas de la Unidad Computacional .................................................................... 41
Tabla 4.Comparativa de luminarias .................................................................................. 43
Tabla 5.Resultados luminotécnicos Zona 1 ...................................................................... 49
Tabla 6.Resultados luminotécnicos Zona 2 ...................................................................... 51
Tabla 7.Resultados luminotécnicos Zona 3 ...................................................................... 53
Tabla 8.Resultados luminotécnicos Zona 4 ...................................................................... 55
Tabla 9.Resultados luminotécnicos Zona 5 ...................................................................... 57
Tabla 10.Resultados luminotécnicos Zona 6 .................................................................... 59
Tabla 11.Resultados luminotécnicos Zona 7 .................................................................... 61
Tabla 12.Resultados luminotécnicos Zona 8 .................................................................... 63
Tabla 13.Resultados luminotécnicos Zona 9 .................................................................... 65
Tabla 14.Resultados luminotécnicos Zona 10 .................................................................. 67
Tabla 15.Comparativa energética .................................................................................... 71
Tabla 16.Niveles de radiación solar sobre la ubicación del proyecto ................................ 74
Tabla 17.Calculo del consumo eléctrico ........................................................................... 75
vii
Glosario
A-h: Amperes por hora.
Batería: Dispositivo que almacena energía eléctrica, por medio de procedimientos
electroquímicos, para devolverla posteriormente.
Célula fotovoltaica: Dispositivo electrónico que transforma la energía luminosa
en energía eléctrica.
Eficiencia: Relación entre energía útil y energía invertida
Fluorescencia: Tipo particular de luminiscencia, que caracteriza a las sustancias
que son capaces de absorber energía en forma de radiaciones electromagnéticas
y luego emitir parte de esa energía en forma de radiación electromagnética.
Generación eléctrica: Consiste en transformar alguna clase de energía química,
mecánica, térmica o luminosa, entre otras, en energía eléctrica.
Iluminación: Se refiere al conjunto de dispositivos que se instalan para producir
ciertos efectos luminosos, tanto prácticos como decorativos.
Inversor: Dispositivo que convierte corriente directa en alterna
Irradiación solar: Conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol.
kWh/día: kilowatts-hora consumidos en un día.
LED: Diodo emisor de luz, se refiere a un componente optoeléctrico pasivo.
Lumen: Unidad del Sistema Internacional de Medidas para medir el flujo luminoso.
Luminaria: Dispositivos generadores de luz, responsable del control y la
distribución de la luz.
Lux: Es la unidad derivada del Sistema Internacional de Unidades para
la iluminancia o nivel de iluminación. Equivale a un lumen /m².
viii
Luxómetro: Instrumento de medición que permite medir simple y rápidamente la
iluminancia real de un ambiente.
Panel fotovoltaico: Conjunto de células fotovoltaicas, que producen electricidad a
partir de la luz que incide sobre ellos.
Potencia: Relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir,
la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo
determinado.
Reflexión: Cambio de dirección de una onda magnética, que al estar en contacto
con la superficie de separación entre dos medios cambia
Topología: Se refiere al arreglo físico en el cual los dispositivos se interconectan
entre sí.
ix
Planteamiento del Problema
Durante los últimos años, el ahorro y la forma de utilización de la energía eléctrica
se han convertido en un tema de vital importancia para las sociedades del mundo,
ya que debido a diversos factores, han provocado una mayor conciencia sobre el
uso de la energía eléctrica.
En México debido a múltiples factores, políticos, económicos y culturales, no se ha
desarrollado un pleno interés entre sociedad y gobierno por el ahorro de energía y
poco se ha incursionado en el desarrollo de tecnologías de generación de energía
eléctrica alternas, entre ellas la generación a través de paneles fotovoltaicos.
Uno de los principales problemas que se tiene, es la mala calidad en las
instalaciones eléctricas y en los sistemas de iluminación, este mismo problema ha
afectado a la Unidad Computacional de la ESIME Zacatenco mejor conocida como
“La Isla”, además de la falta de mantenimiento a las instalaciones desde hace
varios años han ocasionado que estas se deterioren y se vuelvan obsoletas.
Por otra parte, el uso de sistemas fotovoltaicos para generación de electricidad es
una práctica cada vez más común en el ámbito internacional. Durante los últimos
30 años el desarrollo tecnológico en este campo ha permitido una reducción de 95
% en el costo de los módulos fotovoltaicos comerciales, a la par de un incremento
cercano al 200% en su eficiencia. Un dato que puede servir como referencia para
dimensionar el nivel de penetración de esta tecnología en estos últimos años son
los más de 1200 MW de potencia pico instalada a nivel mundial, con un
crecimiento anual del orden de 16 %.
Pero en México, al igual que en muchos otros países en desarrollo, el uso de los
sistemas fotovoltaicos tiene una penetración y desarrollo aún incipiente.
En busca de fortalecer el uso de energías alternas y como medio de ahorro de
energía eléctrica además de un ahorro económico, se implementara un sistema de
generación eléctrica fotovoltaico para alimentar el circuito de iluminación y con eso
reducir el problema del consumo eléctrico.
x
El aprovechamiento máximo de la luz natural, junto con la aplicación de
tecnologías eficientes de alumbrado y sistemas de control de la iluminación,
permiten reducir el consumo de energía de este sistema entre un 15% y un 50%.
Debido a lo anterior es necesario implementar nuevas formas de generación
eléctrica para el uso cotidiano, en este caso se propone el uso de la energía solar,
así como la implementación de sistemas de iluminación de bajo consumo y mayor
eficiencia para la iluminar la Unidad Computacional de la ESIME Zacatenco.
xi
Justificación
Los sistemas de iluminación mal diseñados y/o deteriorados por el tiempo,
presentan diversas fallas, tanto en sus equipos como en su funcionamiento, es por
eso que de sustituirse un sistema obsoleto o en mal estado y aplicando las nuevas
tecnologías en alumbrado de bajo consumo, se tendrá un sistema de iluminación
eficiente, sumado a estas mejoras, también se busca que el sistema sea
alimentado independientemente de la red eléctrica, generando su propia
electricidad a partir de la energía solar por medio de un sistema fotovoltaico, del
cual, conociendo las limitaciones que presentan estos tipos de sistemas de
generación actualmente, se buscara optimizar al máximo el sistema de iluminación
y que estos tengan una baja demanda de energía para su óptimo funcionamiento y
mediante esto compensar los bajos porcentajes de eficiencia que tienen hasta la
fecha los sistemas de generación fotovoltaicos.
Limitaciones
Debido al poco desarrollo de la tecnología de generación fotovoltaica en nuestro
país, implementar un sistema de este tipo es relativamente costoso, ya que los
beneficios económicos se obtendrán al paso del tiempo.
Alcances
Se podrá conseguir un significativo ahorro en el uso de energía eléctrica y un
beneficio económico (viéndose este reflejado con el paso del tiempo), así como un
mejor sistema de iluminación, que brinde más comodidades a los usuarios del
inmueble, sin dejar de lado los beneficios que se aportaran al medio ambiente al
utilizar energía eléctrica generada de forma limpia.
xii
Objetivos
Objetivo General
Optimizar el sistema de iluminación de la Unida de Informática de la ESIME
Zacatenco, para que este sea de bajo consumo y mayor eficiencia, cumpliendo
con las características que un sistema de alumbrado para un edificio de este tipo
requiera, siendo a su vez alimentado de forma independiente por un sistema de
generación de energía eléctrica fotovoltaico.
Objetivos Particulares
Rediseño del sistema de iluminación actual de la Unidad de Informática “La Isla”
de la ESIME Zacatenco.
Aplicación de nuevos equipos de iluminación para tener una mayor eficiencia en el
alumbrado mediante un bajo consumo de energía.
Implementación de un sistema fotovoltaico para generar la energía eléctrica
necesaria con la cual se alimentara el circuito de iluminación implementado.
xiii
Hipótesis
Debido a que día con día las nuevas tecnologías en materia de iluminación
presentan elementos para el alumbrado siendo estos más eficientes empleando
un bajo consumo energético, implementar estos en un nuevo sistema de
iluminación para la Unidad de Informática “La Isla” de la ESIME Zacatenco,
brindara un óptimo nivel de iluminación para realizar de forma adecuada las tareas
que se realizan en esta unidad.
A su vez, al considerar los avances en generación de electricidad a partir de
energía solar, el implementar un sistema de generación eléctrica a base de
paneles fotovoltaicos permitirá alimentar al sistema de iluminación antes
mencionado para darle independencia de la red eléctrica, como lo que se obtendrá
un sistema de iluminación autosustentable, de bajo consumo eléctrico y un
alumbrado eficiente.
CAPÍTULO I
SISTEMAS DE ILUMINACIÓN
En este capítulo se contemplan conceptos relacionados a la luz, los
sistemas de iluminación y los elementos que integran dichos sistemas.
15
1 Sistemas de Iluminación
1.1 Introducción
No es posible concebir el mundo actual sin el uso de la iluminación artificial.
Durante este capítulo nos enfocaremos en conocer los elementos de los sistemas
de iluminación, así como un poco sobre la luz y las fuentes que producen la
misma, pudiendo ser de dos tipos, naturales o artificiales.
Además nos centraremos en los tipos de luminarias más comúnmente utilizados
en los sistemas de iluminación tanto tradicionales, como las nuevas tecnologías.
Finalmente conoceremos las normas que detallan los niveles de iluminación
requeridos en edificios públicos para llevar a cabo las diversas actividades que en
estos se realizan.
1.2 Luz
Recibe el nombre de luz la parte de la radiación electromagnética que puede ser
percibida por el ojo humano, aunque en un concepto más amplio incluye todo el
campo de la radiación conocido como espectro electromagnético, mientras que la
expresión luz visible señala específicamente la radiación en el espectro visible. [1]
16
Fig. 1.Espectro electromagnético
1.3 Fuentes de Luz
Se entiende por fuente de luz a aquellos cuerpos que la generan, ya sea
producida por ellos mismos o por que la reflejan. En nuestro entorno existen
diferentes tipos de luz, las cuales pueden ser naturales o artificiales.
Así mismo se tienen las fuentes primarias, las cuales producen la luz por medio de
procesos internos, por ejemplo el sol y son secundarias si estas producen la luz
por reflexión como es el caso de la luna o de cualquier otra superficie que la
refleje.
La primera finalidad de una fuente de luz consiste en producirla y la eficacia con
que una lámpara realiza este cometido se expresa en lúmenes emitidos por watts
consumidos, relación llamada eficiencia luminosa. [2]
17
1.3.1 Luz Natural
La luz natural también conocida como luz diurna o de día, es aquella producida
por el sol, se tienen tres tipos de luz natural, las directas, indirectas y difusas.
El sol determina las características esenciales de la luz natural disponible, el largo
de los días y sus cambios estacionales, así como de los cambios de carácter que
ocurren durante el día. Estas características de penden de los movimientos de la
tierra, del ángulo de sus ejes y del ángulo de la superficie iluminada respecto al
ángulo de incidencia del rayo de luz. [3]
Fig. 2. Gráfico de la geometría solar
1.3.2 Luz Artificial
Es aquella provista por fuentes artificiales que poseen una distribución espectral
similar a la luz natural, estas fuentes pueden ser muy variadas, ya que van desde
lámparas de gas y aceite, velas y en su mayoría son lámparas y luminarios
eléctricos. Representa el 19% del consumo de electricidad mundial. [4]
1.4 Sistemas de iluminación
Con el constante incremento por la conservación de la energía en los años
recientes, se ha enfocado la atención en el consumo de energía y los métodos
para reducir este.
18
Todas las actividades llevadas a cabo requieren iluminación: en casa, el
transporte, la oficina, el comercio y la industria.
Un sistema de iluminación es el conjunto de luminarias destinadas a proporcionar
un aumento de iluminación en el plano de trabajo para la realización de
actividades específicas.
El objetivo de estos sistemas no es simplemente el proporcionar luz, si no permitir
que las personas reconozcan fácil y claramente, sin error lo que ven, sin fatigar la
vista.
Todo esto dependerá del tipo de luminario utilizado para la iluminación del
inmueble, entre los parámetros que sirven para definir una lámpara tenemos las
características fotométricas: la intensidad luminosa, el flujo luminoso y el
rendimiento o eficiencia.
Además de estas, existen otros que nos informan sobre la calidad de la
reproducción de los colores y los parámetros de duración de las lámparas. [5]
1.5 Tipos de Lámparas
En la actualidad las fuentes de iluminación más populares son seis: lámparas
incandescentes, fluorescentes, vapor de mercurio, aditivos metálicos y vapor de
sodio (baja y alta presión). Todas estas lámparas con excepción de las
incandescentes son lámparas de descarga de gas, lo que significa que la luz es
creada a través de la excitación de los gases dentro de la lámpara.
La eficiencia es determinada por la cantidad de luz, medida en lúmenes
producidos por cada watt de energía requerida por la lámpara. Los lúmenes por
watt (LPW) de varias fuentes de luz pueden variar considerablemente. [6]
Actualmente se están desarrollando nuevas tecnologías en equipos de
iluminación, dando como resultado el uso de lámparas LED, lámparas que utilizan
diodos emisores de luz como fuente luminosa.
19
1.5.1 Lámparas Incandescentes
Las lámparas incandescentes es uno de los tipos más comunes de fuentes de luz,
aun siendo esta la lámpara con la menor eficiencia (lúmenes por watt) y el menor
tiempo de vida.
La luz es producida en eta lámpara por el efecto Joule cuando el filamento es
calentado hasta la incandescencia, siendo este una resistencia al flujo de la
corriente eléctrica.
El invento de la lámpara incandescente se le atribuye a Thomas Alva Edison.
Fig. 3.Bombilla incandescente
1.5.2 Lámparas Fluorescentes
Las lámparas fluorescentes se están convirtiendo en el tipo más común de fuente
luminosa, es fácil distinguirlas por su diseño tubular, su operación consiste en un
arco eléctrico producido entre dos electrodos, los cuales están separados
dependiendo la longitud del tubo, la luz ultravioleta producida por el arco activa un
revestimiento de fosforo en el interior de las paredes del tubo, causando que la luz
sea producida.
Las lámparas fluorescentes se caracterizan por estar formadas por un tubo
cilíndrico, con casquillo de dos contactos donde se alojan los electrodos.
20
Fig. 4.Lámpara fluorescente
1.5.3 Lámparas de Vapor de Mercurio
Las lámparas de vapor de mercurio producen luz cuando la corriente eléctrica
pasa a través de una pequeña cantidad de vapor de mercurio.
La lámpara consiste en dos sobres de cristal, un sobre interno donde el arco es
golpeado y uno por fuera o de protección. La lámpara de vapor de mercurio al
igual que la fluorescente requiere un balastro diseñado para cada uso específico.
1.5.4 Lámpara de Aditivos Metálicos
La lámpara de aditivos metálicos es muy similar en su construcción a la lámpara
de vapor de mercurio, la mayor diferencia consiste en que esta lámpara contiene
varios aditivos metálicos adicionalmente al vapor de mercurio. La eficacia de la
lámpara de aditivos metálicos es de 1.5 a 2 veces la de la lámpara de vapor de
mercurio.
El aditivo metálico produce una relativa “luz blanca” igual o superior a la
actualmente presentada por una lámpara de vapor de mercurio, para su
21
funcionamiento necesario un dispositivo especial de encendido, puesto que las
tensiones de arranque son muy elevadas (1500-5000 V). [6]
Fig. 5.Lámpara de aditivos metálicos
1.5.6 Lámparas de Vapor de Sodio
Alta Presión
La lámpara de alta presión de vapor de sodio, es un tipo de lámpara de descarga
de gas que usa vapor de sodio para producir luz, tiene la mayor eficacia de todas
las lámparas utilizadas normalmente en interiores, esta produce luz cuando la
electricidad pasa a través del vapor de sodio, la luz producida por este tipo de
lámparas es una luz de color “blanco-dorado”.
22
Fig. 6.Lámpara de vapor de sodio a alta presión
La lámpara de vapor de sodio a alta presión es una de las más utilizadas en el
alumbrado público ya que proporciona una reproducción de los colores
considerablemente mejor que la anterior, aunque no tanto como para iluminar algo
que requiera excelente reproducción cromática.
Baja Presión
Esta es la lámpara de mayor eficiencia disponible actualmente, probé alrededor de
183 lúmenes por watt. La luz en esta lámpara es producida por un tubo arqueado
en forma de U el cual contiene el vapor de sodio, su uso en interiores es
severamente restringido, debido a que produce una monocromática luz amarilla.
La radiación emitida, de color amarillo, está muy próxima al máximo de
sensibilidad del ojo humano (555 nm). Por ello, la eficacia de estas lámparas es
muy elevada (entre 160 y 180 lm/W). Otras ventajas que ofrece es que permite
una gran comodidad y agudeza visual, además de una buena percepción de
contrastes. Por contra, su monocromatismo hace que la reproducción de colores y
23
el rendimiento en color sean muy malos haciendo imposible distinguir los colores
de los objetos. [6]
Fig. 7.Lámpara de vapor de sodio a baja presión
1.6 Lámparas LED
Lámparas de bajo consumo LED suponen una alternativa ecológica de gran
calidad a las bombillas incandescentes.
Un LED (diodo de emisión de luz) es una fuente de luz que encaja perfectamente
en un circuito eléctrico. Debido a que los LED se iluminan por el movimiento de los
electrones en un material semiconductor, los LED no se queman, no se calientan y
no utilizan sustancias peligrosas como el mercurio, además de ser reciclables. [7]
La tecnología LED aporta la mejor eficiencia disponible para la conversión de
energía eléctrica en luminosa. Con una eficiencia energética media de un 85% se
pueden obtener más de 80 lúmenes por watt.
La emisión de luz que proporcionan los LED es direccional, la luz blanca que
producen los LED, permite la mejor reproducción cromática actualmente
disponible. Colores intensos y claramente diferenciados.
24
Actualmente las lámparas de LED se pueden usar para cualquier aplicación
comercial, desde el alumbrado decorativo hasta el de viales y jardines, presentado
ciertas ventajas, entre las que destacan su considerable ahorro energético,
arranque instantáneo, aguante a los encendidos y apagados continuos y su mayor
vida útil.
Fig. 8.Lámparas LED
1.7 Niveles de Iluminación
La cantidad de luz que ilumina una superficie es medida en lúmenes por metro
cuadrado, y cada tarea específica tiene valores recomendados de iluminación para
llevarse a cabo y un cuarto en donde se realizan diversas tareas podría tener
varios niveles de iluminación recomendados.
Establecer los requerimientos de iluminación en las áreas de los centros de
trabajo, para que se cuente con la cantidad de iluminación requerida para cada
actividad visual, a fin de proveer un ambiente seguro y saludable en la realización
de las tareas que desarrollen los trabajadores. [8]
25
La NOM-025-STPS-2008, Condiciones de iluminación en los centros de trabajo,
indica los niveles de iluminación que deben incidir en el plano de trabajo, para
cada tipo de tarea visual o área de trabajo.
Precisar niveles de iluminación no es críticamente importante, pero igual de
importante que la cantidad de luz, es la calidad de la misma, pocas son las
personas capaces de percibir una diferencia mínima en la iluminación, pero la
pobre calidad de la iluminación es muy fácil de aparentar para cualquiera y más
aún si esta afecta su habilidad y confortabilidad para “ver” una tarea.
Uno de los factores que afectan la calidad de un sistema de iluminación es el
deslumbramiento, este tiene un gran impacto en la habilidad y comodidad para
realizar alguna actividad.
CAPÍTULO II
GENERACIÓN FOTOVOLTAICA
En este capítulo se presenta la definición de la generación fotovoltaica,
así como los elementos que integran un sistema de generación solar.
27
2 Generación fotovoltaica
2.1 Introducción
El uso de sistemas fotovoltaicos para generación de electricidad es una práctica
cada vez más común en el ámbito internacional. Durante los últimos 30 años el
desarrollo tecnológico en este campo ha permitido una reducción de 95 % en el
costo de los módulos fotovoltaicos comerciales, a la par de un incremento cercano
al 200% en su eficiencia. [9]
Es por eso que durante este capítulo nos adentraremos en esta forma de
generación de energía eléctrica, a partir de la energía solar, ya que en busca de
nuevas fuentes de energía limpia, esta sin duda puede ser una de las opciones
con una mejor perspectiva de desarrollo.
En México, al igual que en muchos otros países en desarrollo, el uso de los
sistemas fotovoltaicos tiene una penetración y desarrollo aún incipiente.
2.2 Energía Solar
La energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el calor
emitidos por el Sol.
Desde su surgimiento se clasifico como la solución perfecta para las necesidades
energéticas de todos los países debido a su universalidad y acceso gratuito ya
que, como se ha mencionado anteriormente, proviene del sol.
Para los usuarios el gasto está en el proceso de instalación del equipo solar.
Este gasto, con el paso del tiempo, es cada vez menor por lo que no nos resulta
raro ver en la mayoría de las casas las placas instaladas. Podemos decir que no
contamina y que su captación es directa y de fácil mantenimiento.
28
Es una de las llamadas energías renovables, particularmente del grupo no
contaminante, conocido como energía limpia o energía verde, si bien, al final de su
vida útil, los paneles fotovoltaicos pueden suponer un residuo contaminante
difícilmente reciclable al día de hoy.
La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del calor
que produce a través de la absorción de la radiación.
La potencia de la radiación varía según el momento del día; las condiciones
atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenas
condiciones de radiación el valor es de aproximadamente 1000 W/m² en la
superficie terrestre. A esta potencia se la conoce como irradiación.
2.3 Panel Fotovoltaico
También conocido como panel solar es un módulo que aprovecha la energía de la
radiación solar. El término comprende a los colectores solares utilizados para
producir agua caliente (usualmente doméstica) y a los paneles fotovoltaicos
utilizados para generar electricidad. [9]
Los paneles fotovoltaicos: están formados por numerosas celdas que convierten la
luz en electricidad. Las celdas a veces son llamadas células fotovoltaicas. Estas
celdas dependen del efecto fotovoltaico por el que la energía luminosa produce
cargas positiva y negativa en dos semiconductores próximos de diferente tipo,
produciendo así un campo eléctrico capaz de generar una corriente.
29
Fig. 9.Panel y célula fotovoltaicos
Los paneles fotovoltaicos, además de producir energía que puede alimentar una
red eléctrica terrestre, pueden emplearse en vehículos eléctricos y barcos solares.
En 2005 el problema más importante con los paneles fotovoltaicos era el costo,
que ha estado bajando hasta 3 o 4 dólares por watt. El precio del silicio usado
para la mayor parte de los paneles ahora está tendiendo a subir. Esto ha hecho
que los fabricantes comiencen a utilizar otros materiales y paneles de silicio más
delgados para bajar los costos de producción. Debido a economías de escala, los
paneles solares se hacen menos costosos según se usen y fabriquen más. A
medida que se aumente la producción, los precios continuarán bajando en los
próximos años.
2.4 Principio de Funcionamiento
Los paneles o módulos fotovoltaicos (llamados comúnmente paneles solares,
aunque esta denominación abarca otros dispositivos) están formados por un
conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la
luz que incide sobre ellos (electricidad solar). El parámetro estandarizado para
30
clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia
máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que
son:
• Radiación de 1000 W/m²
• Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).
Las principales componentes de un sistema fotovoltaico conectado a la red son: el
arreglo fotovoltaico, que es el elemento encargado de transformar la luz del sol en
electricidad; y un elemento acondicionador de la potencia producida (un inversor
c.d./c.a.), cuya función es adecuar la energía generada por el arreglo a las
características eléctricas de la red para su conexión a ésta.
Fig. 10.Elementos de un sistema fotovoltaico
Silicio cristalino y Arseniuro de galio son la elección típica de materiales para
celdas solares. Los cristales de Arseniuro de galio son creados especialmente
para uso fotovoltaico, mientras que los cristales de Silicio están disponibles en
lingotes estándar más baratos producidos principalmente para el consumo de la
31
industria microelectrónica. El Silicio poli cristalino tiene una menor eficacia de
conversión, pero también menor coste. [10]
Funcionan por medio del Efecto Fotoeléctrico (también conocido como efecto
fotovoltaico) a través del cual la luz solar se convierte en electricidad sin usar
ningún proceso intermedio. Los dispositivos donde se lleva a cabo la
transformación de luz solar en electricidad se llaman Generadores Fotovoltaicos y
a la unidad mínima en la que se realiza dicho efecto Celdas Solares, que al
conectarse en serie y/o paralelo se forman los paneles fotovoltaicos.[11]
Los paneles fotovoltaicos se dividen en:
• Cristalinas
•Monocristalinas: Se componen de secciones de un único cristal de silicio (Si)
(reconocibles por su forma circular u octogonal, donde los 4 lados cortos, si se
puede apreciar en la imagen, se aprecia que son curvos, debido a que es una
célula circular recortada).
• Policristalinas: Cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.
• Amorfas: Cuando el silicio no se ha cristalizado. Su efectividad es mayor cuanto
mayores son los cristales, pero también su peso, grosor y coste. El rendimiento de
las primeras puede alcanzar el 20% mientras que el de las últimas puede no llegar
al 10%, sin embargo su coste y peso es muy inferior.
2.5 Factores de Eficiencia
La eficiencia es el parámetro por excelencia en la tecnología y uno de los más
importantes en la generación fotovoltaica. Sin embargo hay mucha confusión al
respecto en este punto, por la mala interpretación de este parámetro.
32
Muchas veces en la elección de módulos, simplemente se compara el valor de la
eficiencia, sin tener en cuenta el resto de parámetros de la instalación. Por
ejemplo, sobre dos placas de 180 W, se prefiere una placa de 16% de eficiencia a
otra del 14%, aunque las dos placas vayan a producir lo mismo, 180 W. [12]
Sin embargo, la eficiencia debe ser entendida como la cantidad de potencia en
watts que da la placa, por m2 de superficie, esto es, un índice de densidad
energética.
Sin embargo cuando no hay problemas de terreno el parámetro de la eficiencia no
tiene sentido, pudiendo elegirse una placa de eficiencia inferior con el ahorro
económico correspondiente.
Fig. 11.Corte transversal de un panel fotovoltaico
Las características eléctricas de los paneles solares, incluyen numerosos
parámetros, por citar algunos, incluye el tipo de célula y número, así como su
interconexión. Caja de conexiones, tipo y grado IP de protección, la potencia
nominal, máxima y mínima garantizada, el voltaje de circuito abierto, intensidad de
cortocircuito, corriente y tensión máxima de potencia y tensión máxima del sistema
interconectado. También el fusible, diodos bypass, cableado de conexión y
33
longitud, los conectores y tipo, eficiencia del panel, la tolerancia de la potencia
máxima y los coeficientes de temperatura.
La medida más interesante es la eficiencia del panel, o qué porcentaje de energía
de la luz que incide en el panel se convierte en electricidad. La eficiencia de la
célula solar no es igual a la eficiencia del panel. La eficiencia del panel es
generalmente de 1 a 3% inferior a la eficiencia de células solares debido a la
reflexión de vidrio, marco de sombra, las temperaturas más altas, etc. [13]
Una segunda medida del rendimiento es la tolerancia de potencia, que indica el
rango de potencia nominal.
La tercera medida importante es el rendimiento de los coeficientes de temperatura
que muestran cómo los resultados del panel seguirán los cambios de temperatura.
CAPÍTULO III
SISTEMAS DE ILUMINACIÓN
En este capítulo se realizara el diseño del sistema de iluminación, se
determinara el número de luminarias necesario para los niveles de
iluminación establecidos, se determinara la potencia total del sistema,
así como una comparativa entre luminarias LED y fluorescentes.
35
3 Diseño del sistema de iluminación
3.1 Introducción
A lo largo de este capítulo se realizara el diseño y descripción del nuevo sistema
de iluminación para la Unidad de Informática “La Isla”, utilizando equipos de bajo
consumo, de tecnología LED, apegándose a la normatividad aplicable, para
obtener los niveles de iluminación requeridos para la correcta realización de las
tareas que se desarrollen dentro del inmueble.
La figura 12 muestra las condiciones poco favorables en las que se encontró el
sistema de alumbrado dentro de las instalaciones de “La Isla”, entre lo que se
puede observar, destaca el insuficiente número de luminarias y el mal estado en
que estas se encuentran.
Fig. 12.Instalaciones de la Unidad de Informática de la ESIME Zacatenco
Para el desarrollo de este proyecto de iluminación, se necesitó la recopilación de
una serie de datos, para definir las características que requería el proyecto.
36
3.2 Normatividad aplicable
3.2.1. NOM-025-STPS-2008; Condiciones de iluminación en centros de
trabajo.
El nivel de iluminación es quizá la característica más importante a considerar al
realizar un proyecto de iluminación, ya que de esto dependerá que las tareas
visuales se puedan realizar a plenitud, con eficiencia y sobre todo seguridad, es
que debemos tomar en cuenta las tareas que se desarrollaran en las distintas
zonas del inmueble, el detalle que estas requieren y la velocidad con que deben
ser realizadas, así como el tiempo durante el cual será realizada dicha tarea, con
el fin de evitar fatiga visual.
Los niveles de Iluminación que con los que se deberá cumplir se encuentran
establecidos en la NOM-025-STPS-2008; Condiciones de iluminación en centros
de trabajo, emitida por la Secretaria del Trabajo y Previsión Social. [8]
A continuación se muestra en la tabla 1 los niveles mínimos de iluminación para
centros de trabajo donde se puede observar que para el caso de salas de computo
se requiere un nivel de 500 lx y para talleres de alta precisión se requiere un nivel
de 750 lx.
37
Tabla 1.Condiciones de iluminación en centros de trabajo
Tarea Visual del Puesto de Trabajo Área De Trabajo Niveles Mínimos
de Iluminación (Lux)
En exteriores: distinguir el área de
tránsito, desplazarse caminando,
vigilancia, movimiento de vehículos.
Áreas generales exteriores: patios y
estacionamientos. 20
En interiores: distinguir el área de tránsito,
desplazarse caminando, vigilancia,
movimiento de vehículos.
Áreas generales interiores: almacenes de
poco movimiento, pasillos, escaleras,
estacionamientos cubiertos, labores en
minas subterráneas, iluminación de
emergencia.
50
En interiores. Áreas de circulación y pasillos; salas de
espera; salas de descanso; cuartos de
almacén; plataformas; cuartos de
calderas
100
Requerimiento visual simple: inspección
visual, recuento de piezas, trabajo en
banco y máquina.
Áreas de servicios al personal:
Almacenaje rudo, recepción y despacho,
casetas de vigilancia, cuartos de
compresores y pailería. 200
Distinción moderada de detalles: ensamble
simple, trabajo medio en banco y
máquina, inspección simple, empaque y
trabajos de oficina.
Talleres: áreas de empaque y ensamble,
aulas y oficinas. 300
Distinción clara de detalles: maquinado y
acabados delicados, ensamble e
inspección moderadamente difícil, captura
y procesamiento de información, manejo
de instrumentos y equipo de laboratorio.
Talleres de precisión: salas de cómputo,
áreas de dibujo, laboratorios.
500
Distinción fina de detalles: maquinado de
precisión, ensamble e inspección de
trabajos delicados, manejo de
instrumentos y equipo de precisión,
manejo de piezas pequeñas.
Talleres de alta precisión: de pintura y
acabado de superficies, y laboratorios de
control de calidad. 750
Alta exactitud en la distinción de detalles:
ensamble, proceso e inspección de piezas
pequeñas y complejas y acabado con
pulidos finos.
Áreas de proceso: ensamble e inspección
de piezas complejas y acabados con
pulido fino. 1,000
Alto grado de especialización en la
distinción de detalles.
Áreas de proceso de gran exactitud.
2,000
38
3.2.2 NOM-007-ENER-2004; Eficiencia energética en sistemas de alumbrado
en edificios no residenciales
Otra norma que se utilizó en el diseño de este proyecto fue la NOM-007-ENER-
2004, de donde se obtienen los valores de Densidad de Potencia Eléctrica para
Alumbrado (DPEA) con los que se debe cumplir en sistemas de alumbrado
interior. [14]
En la tabla 2 se muestran los niveles máximos de Densidad de Potencia Eléctrica
para Alumbrado en donde se observa que para el caso de oficinas no debe
exceder los 14 W/m2 y en escuelas no debe ser mayor a 16 W/m2.
Tabla 2.Eficiencia energética en sistemas de alumbrado en edificios no residenciales
Tipo de edificio DPEA (W/m2)
Oficinas
Oficinas 14
Escuelas y demás centros docentes
Escuelas o instituciones educativas 16
Bibliotecas 16
Establecimientos comerciales
Tiendas de auto servicio, departamentales y de especialidades 20
Hospitales
Hospitales, sanatorios y clínicas 17
Hoteles
Hoteles 18
Moteles 22
39
3.3 Distribución de zonas de iluminación en la Unidad
Computacional de la ESIME Zacatenco “La Isla”
El proyecto consiste en el diseño del sistema de iluminación de la isla. A
continuación se presenta el plano arquitectónico de la unidad, donde se muestran
las diferentes zonas en las cuales se encuentra seccionada la Unidad
Computacional, para realizar el estudio luminotécnico y así decidir la óptima
ubicación de las luminarias dentro de cada zona.
Fig. 13.Plano estructural de la Unidad Computacional de la ESIME Zacatenco
40
A fin de realizar la distribución de luminarias el inmueble se dividió en 10 zonas y
se consideró la NOM-025-STPS-2008 para seleccionar los niveles mínimos de
iluminación para cada una de las mismas.
Previamente a la realización del estudio luminotécnico y como se muestra en la
figura 14 se utilizó un luxómetro para la medición de los niveles actuales de
iluminación que se presentan en las diferentes zonas de análisis de la Unidad
Computacional.
Fig. 14.Medición de los niveles actuales de iluminación
Con estas mediciones se pudo comprobar que los niveles de iluminación que
actualmente presenta la Unidad Computacional de la ESIME Zacatenco se
encuentran por debajo del mínimo establecido en la NOM-025-STPS-2008, en
algunos casos las lecturas son muy inferiores al mínimo requerido.
En la tabla 3 se muestran las dimensiones (largo, ancho y altura) así como el nivel
de iluminación actual y el nivel mínimo requerido por zona.
41
Tabla 3. Zonas de la Unidad Computacional
Zona Ancho [m] Largo
[m]
Altura
[m]
Nivel de
iluminación
actual
[lx]
Nivel de
Iluminación
Mínimo
[lx]
1
Laboratorio de diseño
7.10 10.70 2.60 215 500
2
Sala intermedia
7.10 10.70 2.60 175
500
3
Jefatura/Laboratorio
/Apoyo (UTE)
7.10 10.70 2.60 295
500
4
Server
2.60 6.25 2.60 250 300
5
Servicios
2.60 6.25 2.60 280
300
6
Pabellón tecnológico
7.00 5.30 2.60 240
500
7
Soporte técnico
4.40 8.00 2.60 215 750
8
Secretarial/Espera
/Jefatura Unidad
9.90 8.00 2.60 230
500
9
Bodega/Almacén
/Sanitarios
2.65 6.15 2.60 40 50
10
Pasillo
16.20 8.00 2.60 127 100
Como se puede apreciar en la tabla anterior, únicamente el área de los pasillos, se
encuentra dentro de los niveles de iluminación establecidos por norma.
42
3.3.1 Selección de luminarias para salas de cómputo y oficinas (Zonas 1- 8)
Para la selección de las luminarias a instalar en las zonas de; Laboratorio de
diseño, Sala Intermedia, Jefatura/Laboratorio/Apoyo (UTE), Server, Servicios,
Pabellón Tecnológico, Soporte Técnico, Secretarial/Espera/Jefatura Unidad se
consideraron tres tipos de lámparas: lámpara tubular fluorescente promedio,
lámpara LUMIX T8 de OSRAM, y lámpara de tecnología LED, Smartform LED de
PHILIPS.
Para este proyecto se seleccionó la luminaria Smartform LED debido a su menor
consumo de energía, eficiencia, equipos más ligeros, mayor tiempo de vida y tipo
de montaje.
En la tabla 4 se muestra la comparación entre las tres luminarias consideradas.
Donde se observa que la potencia de la luminaria de tecnología LED, es menor a
las luminarias fluorescentes considerando que por gabinete se utilizan de 2 a 4
tubos fluorescentes, con lo cual una luminaria formada por 2 tubos T8 Slimline por
lo que tendría una potencia total de 64 W por luminaria.
Por otra parte podemos observar que el tiempo de vida útil de las luminarias LED
puede prolongarse hasta por 50000 horas, al ser empleadas al 70% del flujo
luminoso, esto puede lograrse fácilmente aprovechando la luz diurna y utilizando
el sensor de luz ACTILUME, el cual es capaz de regular el flujo luminoso de la
luminaria para prolongar su tiempo de vida.
Además las luminarias LED están libres de mercurio, con lo que no se daña el
medio ambiente ni se pone en riesgo a la salud.
43
Tabla 4.Comparativa de luminarias
Smartform LED LUMIX T8 T8 Slimline
Potencia* (W) 47 58 2x32
Flujo luminoso (Lm) 3700 5200 2x2950
Vida Útil (hrs) 30000** 20000 20000
Balastro No Si Si
Mercurio No Si Si
*Potencia para una sola lámpara, luminarias fluorescentes incluyen de 2 a 4
lámparas.
**Hasta 50000 hrs al 70% del flujo luminoso.
La Smartform LED BBS464 de la marca PHILIPS es una luminaria que por ser de
alta eficiencia, diseñada para adaptarse a una amplia variedad de techos, además
de poseer un novedoso sistema de control de iluminación, así como un muy
prolongado tiempo de vida se recomienda para este tipo de proyectos de
iluminación en interiores.
En la figura 15, se puede observar el diseño del módulo Smartform LED,
dimensiones de 60x60cm e instalación empotrada.
Fig. 15.Luminario Smartform LED
44
3.3.2 Iluminación de pasillos, almacén bodega y sanitarios (Zonas 9-10)
Por otra parte para las zonas de tránsito y servicios generales (almacén y
sanitarios) se opta por un tipo de luminario distinto, igualmente basado en
tecnología LED, de la familia LuxSpace Compact, la BBS490 de PHILIPS, debido
a su eficiencia, posibilitando una eficiente iluminación general de espacios con un
consumo reducido permitiendo considerables ahorros de energía.
De instalación empotrable y con un diámetro de 21 cm, como se muestra en la
figura 16, se convierte en la elección óptima para iluminar este tipo de zonas.
Fig. 16.Luminario LuxSpace Compact
Los datos técnicos de ambas luminarias se muestran en el anexo A:
45
3.4. Herramienta de cómputo para el estudio luminotécnico de la
unidad de informática “La Isla”.
Para la realización del estudio luminotécnico de las distintas zonas en que fue
seccionada la Unidad Computacional de la ESIME Zacatenco, se apoyó en el uso
del software computacional DIALux, desarrollado por DIAL GmbH, en su versión
4.11, el cual nos permite realizar los cálculos de distribución de luminarias y
niveles de iluminación en forma precisa [15].
Fig. 17.Software DIALux versión 4.11
Para el estudio luminotécnico, se le proporcionaron los siguientes datos al paquete
computacional de DIALux:
Dimensiones de las zonas (largo, ancho y altura).
Altura del plano útil.
Porciento de reflexión de suelo, techo, paredes, puertas y ventanas.
Modelos de luminarias a utilizar.
Los resultados obtenidos de este análisis, presentados zona por zona, fueron los
siguientes:
Nivel de intensidades lumínicas.
Valor de eficiencia energética.
Flujo luminoso total.
Potencia total.
Factor de mantenimiento.
Numero de luminarias utilizadas.
Plano de distribución de luminarias.
46
3.5. Diagrama de densidad lumínica y cónico de luminarias
Enseguida se presentan los diagramas de densidad lumínica y cónico de ambos
modelos de luminarias utilizadas, en los cuales se puede apreciar el valor de la
intensidad en candelas de las circunferencias concéntricas así como los niveles de
intensidad luminosa dependiendo el diámetro cónico.
Luminaria: PHILIPS BBS464 W60L60
Fig. 18.Diagrama de densidad lumínica
Fig. 19.Diagrama cónico
47
Luminaria: PHILIPS BBS490
Fig. 20.Diagrama de densidad lumínica
Fig. 21.Diagrama cónico
48
3.6 Cálculo de la iluminación de la unidad de informática
utilizando el programa DIALux.
3.6.1 Laboratorio de Diseño (Zona 1)
En la figura 22 se aprecia el nivel de intensidad luminosa alcanzado en todos los
puntos de la zona 1, a su vez en la figura 23 se muestra la distribución de
luminarias a lo largo de la superficie.
Fig. 22.Niveles de intensidad luminosa en Zona 1
Fig. 23.Ubicación luminarias Zona 1
49
Los resultados del estudio luminotécnico –Flujo luminoso total, potencia total, nivel
de iluminación, número de luminarias utilizadas y valor de eficiencia energética- se
muestran en la tabla 5.
Tabla 5.Resultados luminotécnicos Zona 1
Flujo luminoso total: 55500 lm Potencia total: 705.0 W Factor mantenimiento: 0.67
Superficie [%] Em [lx] Emin
[lx] Emax [lx] Emin /
Em
Plano útil
/
581
298
676
0.513
Suelo
50
554
334
656
0.602
Techo
76
232
78
292
0.337
Paredes (5)
79
312
158
445
/
Lista de piezas - Luminarias
N° Pieza Designación (Factor de corrección)
(Luminaria) [lm] (Lámparas) [lm] P [W
1
15 PHILIPS BBS464 W60L60 1xLED48/840 AC-MLO (1.000)
3700
3700 47.0
Total: 55500 Total: 55500 705.0
Valor de eficiencia energética: 9.26 W/m² = 1.59 W/m²/100 lx (Base: 76.16 m²)
50
3.6.2 Sala Intermedia (Zona 2)
En la figura 24 se aprecia el nivel de intensidad luminosa alcanzado en todos los
puntos de la zona 2, a su vez en la figura 25 se muestra la distribución de
luminarias a lo largo de la superficie.
Fig. 24.Niveles de intensidad luminosa Zona 2
Fig. 25.Ubicación luminarias Zona 2
51
Los resultados del estudio luminotécnico –Flujo luminoso total, potencia total, nivel
de iluminación, número de luminarias utilizadas y valor de eficiencia energética- se
muestran en la tabla 6.
Tabla 6.Resultados luminotécnicos Zona 2
Flujo luminoso total: 55500 lm Potencia total: 705.0 W Factor mantenimiento: 0.80
Superficie [%] Em [lx] Emin [lx] Emax [lx] Emin / Em
Plano útil
/
556
215
696
0.388
Suelo
50
501
207
643
0.414
Techo
76
147
52
213
0.357
Paredes (4)
12
246
93
399
/
Plano útil: Altura: 0.750 m Trama: 64 x 64 Puntos
Lista de piezas - Luminarias
N° Pieza Designación (Factor de corrección)
(Luminaria) [lm] (Lámparas) [lm] P [W]
1
15 PHILIPS BBS464 W60L60 1xLED48/840 AC-MLO (1.000)
3700
3700 47.0
Total: 55500 Total: 55500 705.0
Valor de eficiencia energética: 9.20 W/m² = 1.65 W/m²/100 lx (Base: 76.64 m²)
52
3.6.3 Jefatura/Laboratorio/Apoyo (UTE) (Zona 3)
En la figura 26 se aprecia el nivel de intensidad luminosa alcanzado en todos los
puntos de la zona 3, a su vez en la figura 27 se muestra la distribución de
luminarias a lo largo de la superficie.
Fig. 26.Niveles de intensidad luminosa Zona 3
Fig. 27.Ubicación luminarias Zona 3
53
Los resultados del estudio luminotécnico –Flujo luminoso total, potencia total, nivel
de iluminación, número de luminarias utilizadas y valor de eficiencia energética- se
muestran en la tabla 7.
Tabla 7.Resultados luminotécnicos Zona 3
Flujo luminoso total: 55500 lm Potencia total: 705.0 W Factor mantenimiento: 0.80
Superficie [%] Em [lx] Emin [lx] Emax [lx] Emin / Em
Plano útil
/
687
331
804
0.481
Suelo
50
653
391
772
0.599
Techo
76
273
105
344
0.385
Paredes (4)
79
366
185
526
/
Plano útil: Altura: 0.750 m Trama: 64 x 64 Puntos
Lista de piezas - Luminarias
N° Pieza Designación (Factor de corrección)
(Luminaria) [lm] (Lámparas) [lm] P [W]
1
15 PHILIPS BBS464 W60L60 1xLED48/840 AC-MLO (1.000)
3700
3700 47.0
Total: 55500 Total: 55500 705.0
Valor de eficiencia energética: 9.21 W/m² = 1.34 W/m²/100 lx (Base: 76.59 m²)
54
3.6.4 Server (Zona 4)
En la figura 28 se aprecia el nivel de intensidad luminosa alcanzado en todos los
puntos de la zona 4, a su vez en la figura 29 se muestra la distribución de
luminarias a lo largo de la superficie.
Fig. 28.Niveles de intensidad luminosa Zona 4
Fig. 29.Ubicación luminarias Zona 4
55
Los resultados del estudio luminotécnico –Flujo luminoso total, potencia total, nivel
de iluminación, número de luminarias utilizadas y valor de eficiencia energética- se
muestran en la tabla 8.
Tabla 8.Resultados luminotécnicos Zona 4
Flujo luminoso total: 7400 lm Potencia total: 94.0 W Factor mantenimiento: 0.80
Superficie [%] Em [lx] Emin [lx] Emax [lx] Emin / Em
P ano útil
/
391
227
533
0.581
Suelo
50
340
237
393
0.696
Techo
76
147
74
171
0.504
Paredes (4)
79
211
98
306
/
Plano útil: Altura: 0.750 m Trama: 64 x 32 Puntos
Lista de piezas - Luminarias
N° Pieza Designación (Factor de corrección)
(Luminaria) [lm] (Lámparas) [lm] P [W]
1
2 PHILIPS BBS464 W60L60 1xLED48/840 AC-MLO (1.000)
3700
3700 47.0
Total: 7400 Total: 7400 94.0
Valor de eficiencia energética: 5.79 W/m² = 1.48 W/m²/100 lx (Base: 16.22 m²)
56
3.6.5 Servicios (Zona 5)
En la figura 30 se aprecia el nivel de intensidad luminosa alcanzado en todos los
puntos de la zona 5, a su vez en la figura 31 se muestra la distribución de
luminarias a lo largo de la superficie.
Fig. 30.Niveles de intensidad luminosa Zona 5
Fig. 31.Ubicación luminarias Zona 5
57
Los resultados del estudio luminotécnico –Flujo luminoso total, potencia total, nivel
de iluminación, número de luminarias utilizadas y valor de eficiencia energética- se
muestran en la tabla 9.
Tabla 9.Resultados luminotécnicos Zona 5
Flujo luminoso total: 7400 lm Potencia total: 94.0 W Factor mantenimiento: 0.80
Superficie [%] Em [lx] Emin [lx] Emax [lx] Emin / Em
Plano útil
/
398
229
538
0.576
Suelo
50
346
237
398
0.685
Techo
76
155
82
181
0.532
Paredes (4)
79
216
123
311
/
Plano útil: Altura: 0.750 m Trama: 64 x 32 Puntos
Lista de piezas - Luminarias
N° Pieza Designación (Factor de corrección)
(Luminaria) [lm] (Lámparas) [lm] P [W]
1
2 PHILIPS BBS464 W60L60 1xLED48/840 AC-MLO (1.000)
3700
3700 47.0
Total: 7400 Total: 7400 94.0
Valor de eficiencia energética: 5.80 W/m² = 1.45 W/m²/100 lx (Base: 16.22 m²)
58
3.6.6 Pabellón tecnológico (Zona 6)
En la figura 32 se aprecia el nivel de intensidad luminosa alcanzado en todos los
puntos de la zona 6, a su vez en la figura 33 se muestra la distribución de
luminarias a lo largo de la superficie.
Fig. 32.Niveles de intensidad luminosa Zona 6
Fig. 33.Ubicación luminarias Zona 6
59
Los resultados del estudio luminotécnico –Flujo luminoso total, potencia total, nivel
de iluminación, número de luminarias utilizadas y valor de eficiencia energética- se
muestran en la tabla 10.
Tabla 10.Resultados luminotécnicos Zona 6
Flujo luminoso total: 22200 lm Potencia total: 282.0 W Factor mantenimiento: 0.80
Superficie [%] Em [lx] Emin [lx] Emax [lx] Emin / Em
Plano útil
/
530
288
640
0.543
Suelo
50
494
321
600
0.649
Techo
76
218
148
273
0.678
Paredes (4)
79
293
151
419
/
Plano útil: Altura: 0.750 m Trama: 64 x 64 Puntos
Lista de piezas - Luminarias
N° Pieza Designación (Factor de corrección)
(Luminaria) [lm] (Lámparas) [lm] P [W]
1
6
PHILIPS BBS464 W60L60 1xLED48/840 AC-MLO (1.000)
3700
3700
47.0
Total: 22200 Total: 22200 282.0
Valor de eficiencia energética: 7.55 W/m² = 1.42 W/m²/100 lx (Base: 37.36 m²)
60
3.6.7 Soporte técnico (Zona 7)
En la figura 34 se aprecia el nivel de intensidad luminosa alcanzado en todos los
puntos de la zona 7, a su vez en la figura 35 se muestra la distribución de
luminarias a lo largo de la superficie.
Fig. 34.Niveles de intensidad luminosa Zona 7
Fig. 35.Ubicación luminarias Zona 7
61
Los resultados del estudio luminotécnico –Flujo luminoso total, potencia total, nivel
de iluminación, número de luminarias utilizadas y valor de eficiencia energética- se
muestran en la tabla 11.
Tabla 11.Resultados luminotécnicos Zona 7
Flujo luminoso total: 33300 lm Potencia total: 423.0 W Factor mantenimiento: 0.80
Superficie [%] Em [lx] Emin [lx] Emax [lx] Emin / Em
Plano útil
/
815
424
1027
0.520
Suelo
50
757
494
910
0.653
Techo
76
311
112
399
0.361
Paredes (4)
79
449
211
776
/
Plano útil: Altura: 0.750 m Trama: 32 x 64 Puntos
Lista de piezas - Luminarias
N° Pieza Designación (Factor de corrección)
(Luminaria) [lm] (Lámparas) [lm] P [W]
1
9
PHILIPS BBS464 W60L60 1xLED48/840 AC-MLO (1.000)
3700
3700
47.0
Total: 33300 Total: 33300 423.0
Valor de eficiencia energética: 12.02 W/m² = 1.48 W/m²/100 lx (Base: 35.20 m²)
62
3.6.8 Secretarial/Espera/Jefatura Unidad (Zona 8)
En la figura 36 se aprecia el nivel de intensidad luminosa alcanzado en todos los
puntos de la zona 8, a su vez en la figura 37 se muestra la distribución de
luminarias a lo largo de la superficie.
Fig. 36.Niveles de intensidad luminosa Zona 8
Fig. 37.Ubicación luminarias Zona 8
63
Los resultados del estudio luminotécnico –Flujo luminoso total, potencia total, nivel
de iluminación, número de luminarias utilizadas y valor de eficiencia energética- se
muestran en la tabla 12.
Tabla 12.Resultados luminotécnicos Zona 8
Flujo luminoso total: 22200 lm Potencia total: 282.0 W Factor mantenimiento: 0.80
Superficie [%] Em [lx] Emin [lx] Emax [lx] Emin / Em
Plano útil
/
390
147
551
0.376
Suelo
50
357
218
428
0.610
Techo
76
120
46
168
0.380
Paredes (8)
79
197
82
524
/
Plano útil: Altura: 0.750 m Trama: 128 x 128 Puntos
Lista de piezas - Luminarias
N° Pieza Designación (Factor de corrección)
(Luminaria) [lm] (Lámparas) [lm] P [W]
1
6
PHILIPS BBS464 W60L60 1xLED48/840 AC-MLO (1.000)
3700
3700
47.0
Total: 22200 Total: 22200 282.0
Valor de eficiencia energética: 6.68 W/m² = 1.71 W/m²/100 lx (Base: 42.19 m²)
64
3.6.9 Bodega/Almacén/Sanitarios (Zona 9)
En la figura 38 se aprecia el nivel de intensidad luminosa alcanzado en todos los
puntos de la zona 9, a su vez en la figura 39 se muestra la distribución de
luminarias a lo largo de la superficie.
Fig. 38.Niveles de intensidad luminosa Zona 9
Fig. 39.Ubicación luminarias Zona 9
65
Los resultados del estudio luminotécnico –Flujo luminoso total, potencia total, nivel
de iluminación, número de luminarias utilizadas y valor de eficiencia energética- se
muestran en la tabla 13.
Tabla 13.Resultados luminotécnicos Zona 9
Flujo luminoso total: 7362 lm
Potencia total: 140.0 W
Factor mantenimiento: 0.80
Superficie [%] Em [lx] Emin [lx] Emax [lx] Emin / Em
Plano útil
/
360
223
502
0.619
Suelo
50
336
224
464
0.666
Techo
76
158
116
189
0.735
Paredes (4)
79
213
118
411
/
Plano útil: Altura: 0.500 m Trama: 32 x 64 Puntos
Lista de piezas - Luminarias
N° Pieza Designación (Factor de corrección)
(Luminaria) [lm] (Lámparas) [lm] P [W]
1
4
PHILIPS BBS490 1xDLED-3000 PG (1.000)
1840
2045
35.0
Total: 7362 Total: 8180 140.0
Valor de eficiencia energética: 8.61 W/m² = 2.39 W/m²/100 lx (Base: 16.26 m²)
66
3.6.10 Pasillo (Zona 10)
En la figura 40 se aprecia el nivel de intensidad luminosa alcanzado en todos los
puntos de la zona 10, a su vez en la figura 41 se muestra la distribución de
luminarias a lo largo de la superficie.
Fig. 40.Niveles de intensidad luminosa Zona 10
Fig. 41.Ubicación luminarias Zona 10
67
Los resultados del estudio luminotécnico –Flujo luminoso total, potencia total, nivel
de iluminación, número de luminarias utilizadas y valor de eficiencia energética- se
muestran en la tabla 14.
Tabla 14.Resultados luminotécnicos Zona 10
Flujo luminoso total: 12883 lm Potencia total: 245.0 W Factor mantenimiento: 0.80
Superficie [%] Em [lx] Emin [lx] Emax [lx] Emin / Em
Plano útil
/
150
65
231
0.432
Suelo
50
150
61
224
0.409
Techo
76
69
40
125
0.579
Paredes (10)
79
88
40
362
/
Plano útil: Altura: 0.000 m Trama: 128 x 128 Puntos
Lista de piezas - Luminarias
N° Pieza Designación (Factor de corrección)
(Luminaria) [lm] (Lámparas) [lm] P [W]
1
7
PHILIPS BBS490 1xDLED-3000 PG (1.000)
1840
2045
35.0
Total: 12883 Total: 14315 245.0
Valor de eficiencia energética: 3.01 W/m² = 2.01 W/m²/100 lx (Base: 81.35 m²)
68
3.7 Distribución general de luminarias y flujo luminoso
En la figura 42 se presenta un plano general de la Unidad Computacional de la
ESIME Zacatenco donde se muestra la distribución del flujo luminoso, así como
los niveles de iluminación que se obtuvieron en cada una de las zonas analizadas,
además de la ubicación de las luminarias requeridas para obtener los niveles de
intensidad luminosa y valores de eficiencia energética establecidos por las normas
NOM-025-STPS-2008 y NOM-007-ENER-2004.
Fig. 42.Plano general de niveles de iluminación por zonas de estudio
69
3.8 Tablero, circuitos derivados y selección de interruptores
termomagnéticos
Como parte final del estudio se distribuirá la carga del sistema en un número
determinado de circuitos derivados, así como los interruptores termomagnéticos
adecuados para la protección de cada uno de estos circuitos, los cuales se
incluirán en un tablero de control.
3.8.1. Selección de termomagnético
70 Luminarias de 47 W
11 Luminarias de 35 W
f.p. = 0.9
Para el cálculo de la carga total, se multiplica la carga de cada luminaria por el
número total de luminarias.
( )( ) ( )( )
Considerando factor de potencia de 0.9
Tratándose de una carga continúa se considera un 125% de la carga, acorde con
el artículo 220-3 de la NOM-001-SEDE-2005.
Calculamos la corriente que va a circular por el circuito alimentador
Un interruptor termomagnético de 15 A, puede conducir 15x0.8=12 A
Cantidad mínima de interruptores
Por razones operativas, se decide que existan 3 circuitos derivados.
El tablero de acuerdo con el artículo de la 384-15 NOM-001-SEDE-2005,
contendrá 3 circuitos derivados de 15 A.
70
3.8.2 Cuadro de cargas
3.9 Comparativa energética
Para obtener una comparativa del consumo energético entre luminarias
fluorescentes y luminarias LED, se repitió el mismo estudio luminotécnico,
siguiendo los mismos principios, pero con la diferencia del uso de típicas
luminarias de lámparas fluorescentes, buscando obtener los niveles de iluminación
establecidos por norma para cada una de las distintas zonas y así poder comparar
Cuadro De Carga Total Instalada Para La Iluminación
Zonas
Luminarias Carga Total
Luminarias
[W]
Carga
Total
Circuito
[W]
Corriente
Carga
Continua
[W]
Interruptor
Termomagnético 47W 35W
Tab
lero
1
C1
Zona 1 15 0 705 1410 8.90 1x 15
Zona2 15 0 705
C2
Zona 3 15 0 705
1175 7.42 1x15 Zona 4 2 0 94
Zona 5 2 0 94
Zona 6 6 0 282
C3
Zona 7 9 0 423
1090 6.88 1x15 Zona 8 6 0 282
Zona 9 0 4 140
Zona 10 0 7 245
71
el ahorro de energía entre luminarias de lámparas fluorescentes y luminarias de
tecnología LED, se utilizó la lámpara LUMIX T8 de OSRAM, y se los resultados
obtenidos se muestran en la tabla 3.5.
Tabla 15.Comparativa energética
Carga total instalada por zona [W]
Zona Luminaria LED Luminaria
fluorescente Diferencia
1 705 1216 511
2 705 1520 815
3 705 1216 511
4 94 304 210
5 94 304 210
6 282 684 402
7 423 684 261
8 282 912 630
9 140 240 100
10 245 278 33
Total 3675 7358 3683
Por lo anterior se observa que, se tiene un ahorro de 3683 W utilizando luminarias
LED, el cual se pretende sea mayor utilizando un sensor de presencia capaz,
además, de reducir la intensidad del flujo luminoso, con lo cual evitar que las
luminarias estén encendidas cuando estén en uso y alargar el tiempo de la vida de
las luminarias hasta 50000 horas.
CAPÍTULO IV
DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO
En este capítulo se realizara el diseño del sistema fotovoltaico,
determinando el número de paneles necesarios, así como las
características que deberán tener el resto de los componentes del
sistema de generación.
73
4 Diseño del sistema fotovoltaico
4.1 Introducción
Durante este capítulo se llevara a cabo el diseño del sistema de generación
fotovoltaico que alimentara al sistema de iluminación de la Unidad de Informática
de la ESIME Zacatenco, diseñado en el capítulo 3, “La Isla” se ubica dentro de la
Unidad Profesional Adolfo López Mateos del Instituto Politécnico Nacional, Zona
Zacatenco, la figura 43 permite visualizar la ubicación geográfica de la misma.
Se buscara los equipos óptimos de generación fotovoltaica, para satisfacer la
demanda de los equipos de iluminación a través de un sistema autónomo,
independiente de la red eléctrica.
Fig. 43.Ubicación geográfica de “La Isla”
74
4.2 Nivel de radiación solar
Para la estimación del nivel de irradiación solar se consideran los datos
proyectados en la tabla 16, en la se puede apreciar que la ubicación del proyecto,
dentro de la Ciudad de México, recibe una radiación solar promedio de 5.06
kWh/m²día, según la aplicación RETScreen International, del Ministerio de
Recursos Naturales de Canadá, certificada por la Administración Nacional de
Aeronáutica y del Espacio, NASA, para el año 2012. [16]
Tabla 16.Niveles de radiación solar sobre la ubicación del proyecto
Unidad
Ubicación de datos
climáticos
Ubicación del
Proyecto
Latitud ˚N 19.4 19.4
Longitud ˚E -99.1 -99.1
Elevación m 2,235 2,235
Mes Radiación solar diaria
- horizontal
kWh/m²/día
Enero 4.56
Febrero 5.31
Marzo 6.00
Abril 5.86
Mayo 5.61
Junio 5.47
Julio 5.06
Agosto 5.00
Setiembre 4.53
Octubre 4.61
Noviembre 4.47
Diciembre 4.22
Anual 5.06
75
4.3 Estimación de uso de la carga del sistema de iluminación
En la tabla 17 se muestran los datos de las cargas que serán alimentadas por este
sistema fotovoltaico, como la potencia total demandada por el sistema, y el
consumo eléctrico diario aproximado, considerando el uso de los sensores de las
luminarias y en base a la estimación de las horas de uso promedio de las
luminarias en cada una de las distintas zonas.
Tabla 17.Calculo del consumo eléctrico
Zona Potencia Total [W]
Horas de Uso
Diario
Consumo Promedio Diario
[kWh/día]
1 705 8 5.6
2 705 5 3.5
3 705 8 5.6
4 94 3 0.28
5 94 3 0.28
6 282 8 2.2
7 423 10 4.2
8 282 10 2.8
9 140 2 0.28
10 245 12 2.9
Total 3675
27.64
Con esto consideramos una carga media de 27.64 kWh/día a la cual agregaremos
un 10% de margen de seguridad, con el fin de evitar una sobrecarga del sistema.
(1)
Dónde:
LmdAC : Carga media considerando margen de seguridad
76
Aplicando los factores de corrección, la carga media está dada por:
(2)
Dónde:
: Carga media corregida
: Eficiencia del inversor
: Eficiencia de la batería
: Eficiencia del conductor
: Eficiencia por temperatura
Estos datos son obtenidos de la ficha técnica de los equipos, proporcionada por
los fabricantes de los mismos.
4.4 Dimensionamiento de los componentes
Dentro de los sistemas fotovoltaicos, generalmente los niveles de tensión en
corriente directa utilizados más comúnmente son 12, 24 o 48 V, para este caso,
considerando que el sistema deberá producir una cantidad relativamente grande
de energía se elige trabajar con un nivel de tensión de 48 V. Como principal
ventaja, tenemos, que al aumentar el nivel de tensión disminuye la corriente en los
conductores del sistema fotovoltaico.
4.4.1 Paneles fotovoltaicos
A partir del consumo eléctrico real calculado, la cantidad de paneles solares
necesarios para el óptimo funcionamiento del sistema se calcula considerando que
la generación de energía tendrá la capacidad de abastecer la carga conectada a
dicho sistema.
77
Para definir la cantidad de paneles solares previamente se debe seleccionar la
potencia nominal de los mismos, para esto se deben considerar varios factores,
por ejemplo, si se elige un modelo de panel de baja potencia se tendrá un precio
menor, pero se requerirá un mayor número de unidades para satisfacer la carga,
por el contrario un panel de mayor potencia representa un costo mayor, pero a la
vez un menor número de unidades requeridas.
Para este proyecto, considerando la superficie que se tiene para la instalación de
los paneles solares, se optó por un panel de 280 W, con la finalidad de reducir el
número de unidades necesarias para satisfacer la carga instalada.
4.4.2 Calculo del número de paneles fotovoltaicos
A continuación se calculara el número de paneles de 280 W de potencia
necesarios para abastecer de energía al sistema de iluminación.
Sabiendo que el nivel de irradiación solar que se tiene en la Ciudad de México en
promedio es de 5.1 kWh/m²/día y se tiene, por la latitud de la ubicación, una
inclinación de paneles de 19° entonces:
Promedio: 5.1 kWh/m²/día
Geometría de Inclinación: 19° ~ 20%
Entonces:
(3)
Dónde:
= Irradiación solar en horas de sol pico
78
Una vez corregido el nivel de irradiación solar recibida por los paneles, podemos
calcular el número total de estos.
(4)
Dónde:
: Potencia pico del modulo
: Irradiación solar en horas de sol pico
: Factor global de funcionamiento
4.4.3 Topología de paneles solares
Conociendo el nivel de tensión máximo del panel, de acuerdo con las hojas del
fabricante, para el modelo de panel seleccionado tenemos un nivel de 37.82 V, por
lo tanto.
(5)
(6)
Dónde:
: Tensión de operación de las baterías
: Tensión máxima del modulo
79
Considerando que las dimensiones de cada módulo fotovoltaico son: 1956mm x
991mm, tendremos un arreglo como se muestra en la figura 44.
Fig. 44.Topología de paneles fotovoltaicos
4.4.4 Banco de baterías
Una parte vital para la autonomía del sistema fotovoltaico es el banco de baterías,
ya que estos equipos permiten almacenar la energía eléctrica generada por los
paneles fotovoltaicos y poder mantener la autonomía del sistema en caso de que
no se presenten las condiciones de irradiación por determinados periodos de
tiempo.
Primeramente se deberá realizar el cálculo del consumo de energía medio.
(7)
Dónde:
: Consumo de energía medio
: Carga media corregida
: Tensión de operación de las baterías
80
Posteriormente calculamos los amperes por hora demandados por el sistema,
considerando 5 días de autonomía.
(8)
Dónde:
: Amperes por hora demandados
: Número de días de autonomía
: Potencia de consumo
: Tensión de operación de las baterías
: Factor de utilización
: Factor de incremento de capacidad
: Eficiencia del inversor
Entonces, conociendo las características, de la batería seleccionada,
proporcionadas en la hoja de datos del fabricante, sabemos que las baterías
poseen una tensión nominal de 12 V y 350 Ah, por lo tanto podemos calcular la
topología del banco de baterías.
81
(9)
Dónde:
: Amperes por hora demandados
: Amperes por hora entregados
Dada la tensión de operación de 48 V del sistema y la tensión nominal de 12 V las
baterías se calcula el número de baterías en serie requeridas para alcanzar este
nivel de tensión.
(10)
Dónde:
: Tensión de operación de las baterías
: Tensión nominal de las baterías
82
Por lo que se tiene un banco de baterías de 44 unidades, en figura 45 se aprecian
las potenciales dimensiones que tendría un banco de baterías, si cada una de
estas mide 27.2cm x 20.8.
Fig. 45.Topología banco de baterías
4.4.5 Reguladores de carga
El dimensionamiento del regulador de carga se realizara en base a la corriente de
cortocircuito del generador fotovoltaico, la corriente de corto circuito de cada
panel, obtenida de las hojas de datos del fabricante, es de 8.32 A, por lo que se
calculara la máxima corriente de corto circuito del generador.
(11)
Dónde:
: Corriente de corto circuito del panel
( )( )( )
Como la mayoría de reguladores comerciales no excede los 50 A de capacidad, se
puede realizar un arreglo de 3 unidades que deberán conectarse en paralelo.
83
4.4.6 Inversor
Esta es la parte final del sistema, el núcleo operativo del sistema fotovoltaico y la
cual suministrara la energía al sistema fotovoltaico, su función, como su nombre lo
indica, es convertir la energía eléctrica generada en corriente continua, en
corriente alterna para su utilización.
La potencia del inversor debe seleccionarse de acuerdo con la aplicación del
dispositivo, las corrientes de arranque deben ser cubiertas por la potencia máxima
del inversor, se recomienda sobredimensionar el inversor por la posible conexión
de cargas adicionales.
Se selecciona una tensión de 48 V para el sistema, debido a la alta potencia que
será requerida, por regla general, los inversores trabajan de forma más efectiva
con una tensión de entrada más alta, resultando un mejor coeficiente de
rendimiento.
Calculando la potencia del inversor.
(12)
Dónde:
MS: Margen de seguridad
: Potencia consumida
Por lo que es requerido un inversor con un nivel de potencia de 5000 W o superior,
el cual nos pueda proporcionar un nivel de tensión de 220 V a una frecuencia de
60 Hz.
Actualmente tanto el regulador de carga y el inversor pueden encontrarse, ambos
en un solo equipo, con lo que es posible reducir el espacio necesario para la
84
instalación del sistema, de igual forma que teniendo los equipos por separado se
deberá seleccionar dependiendo de las características que sean requeridas para
el óptimo funcionamiento del sistema fotovoltaico, además de que los inversores
de última generación imitan la forma de onda senoidal como si fuera
proporcionada por la red eléctrica.
4.5 Resultados del cálculo de elementos del sistema fotovoltaico
Una vez que se han calculado el número total de paneles fotovoltaicos, la forma y
el arreglo de cómo estos serán conectados, el número total de baterías necesarias
para el banco de baterías, el cual brindara la autonomía al sistema de hasta 5 días
en caso de que no se presenten las condiciones de irradiación solar esperadas,
así como las características con que deben cumplir tanto el regulador de carga,
como el inversor, para que el sistema de generación fotovoltaica funcione en
óptimas condiciones es posible realizar un resumen de los elementos necesarios
para este sistema.
28 Paneles fotovoltaicos de 280 W (2 serie y 4 paralelos).
44 Baterías de 12 V 350 A-h (4 serie y 11 paralelo)
3 Reguladores de carga de 50 A (Paralelo)
Inversos CD/CA de 5000 W de potencia.
85
En la figura 46 se muestra el diagrama unifilar del sistema fotovoltaico
interconectado al sistema de iluminación.
Fig. 46. Diagrama unifilar
CAPÍTULO V
CONCLUSIONES
En este capítulo se hace mención de los beneficios que se pueden
obtener de ser implementados los sistemas diseñados en capítulos
anteriores, además de realizar recomendaciones para el proyecto.
87
5 Conclusiones
Después de analizar los resultados obtenidos en los capítulos anteriores, se puede
concluir que el uso de luminarias de tecnología LED, dentro de las instalaciones
de la Unidad de Informática de la ESIME Zacatenco representaría un ahorro
energético considerable, ya que con la aplicación de un sistema de iluminación de
este tipo, manteniendo los niveles de iluminación establecidos por norma, se tiene
un ahorro del 50.1% en comparación con luminarias fluorescentes.
Además de que estos cambios permitirían incrementar los niveles de iluminación
actuales en salas de cómputo, laboratorios y oficinas, los cuales se encuentran
fuera de la normatividad vigente, logrando con esto mejorar las condiciones de
trabajo dentro del inmueble.
El ahorro de energía eléctrica logrado en un sistema de iluminación con estas
características, implica una menor demanda de energía eléctrica y en
consecuencia disminuir la necesidad de generación por parte del sistema
fotovoltaico, reduciendo así las emisiones de CO2 al ambiente.
Por otra parte se conseguiría una autonomía del sistema de iluminación de la red
eléctrica, lo que a su vez generaría un ahorro económico
5.1 Recomendaciones
Para prolongar la vida de las luminarias y mantener los niveles de iluminación
adecuados se recomienda, según la NOM-025-STPS-2008 establecer un
programa de mantenimiento de luminarias así como implementar una campaña de
concientización y racionalización del uso de la energía eléctrica.
Por otra parte se recomienda realizar un estudio económico del proyecto, ya que
al tratarse de nuevas tecnologías, los precios de estas en el mercado son
relativamente elevados, pero la inversión podría ser amortizada por el ahorro en el
consumo de energía a largo plazo
88
Referencias
[1] Luz e iluminación. ITLaLaguna.
http://www.itlalaguna.edu.mx/academico/carreras/electronica/opteca/OPTOPDF1_
archivos/UNIDAD1TEMA1.PDF
[2] Sistemas de Iluminación: Lámparas y luminarias. Gas Natural Fenosa.
http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/sistemas-de-
iluminacion-lamparas-y-luminarias-eficientes
[3] PATTINI, Andrea. Luz natural e iluminación de interiores.
www.cricyt.edu.ar/lahv/atm/index.php?action=downloadfile
[4] OSRAM. Iluminación industrial. México, 2008,
http://www.conae.gob.mx/work/sites/CONAE/resources/LocalContent/6419/14/Ilum
inacionV2OSRAM.pdf
[5] FARRAS GUASCH, Juan. Iluminación: Riesgos generales.
http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/TextosOnline/Encicloped
iaOIT/tomo2/46.pdf
[6] WESTINGHOUSE ELECTRIC CORPORATION. Lighting handbook, New
Jersey U.S.A
[7] PHILIPS. LED: La innovación de hoy y de mañana. http://www.philips.es/c/luz-
led/30016/cat/
[8] Secretaria del trabajo y previsión social. NOM-025-STPS-2008; Condiciones de
iluminación en los centros de trabajo.
http://asinom.stps.gob.mx:8145/upload/noms/Nom-025.pdf
[9] Raúl González G., Humberto R. Jiménez G. y Javier Lagunas M. Sistemas
fotovoltaicos. http://www.iie.org.mx/boletin042003/art2.pdf
[10] TSKAN. Módulos fotovoltaicos. http://tskan.com/fabricacion-de-modulos-
solares/
[11] Asociación Nacional de Energía Solar. Energía renovable. México.
http://www.anes.org/anes/formularios/EnergiaRenovable/frmEnergiaRenovable.ph
p
89
[12] FERNANDEZ Adolfo, Dudas sobre módulos fotovoltaicos. ECOdesarrollo.
http://ecodesarrollo.cl/portal1/index2.php?option=com_content&do_pdf=1&id=45
[13] APS Energías Renovables. Panel Fotovoltaico: Eficiencia y rendimiento.
Febrero 2010.
http://apsvalencia.com/2010/02/22/eficiencia-y-rendimiento-de-un-panel-solar-
certificaciones/
[14] Secretaria de energía. NOM-007-ENER-1995, Eficiencia energética para
sistemas de alumbrado en edificios no residenciales.
http://www.sener.gob.mx/res/Acerca_de/nom-007ener-1995.pdf
[15] DIAL. Manual del usuario de DIALux 4.9
http://community.lighting.philips.com/docs/DOC-1091
[16] RETScreen International. RETScreen Plus, RETScreen 4.
http://www.retscreen.net/es/home.php
ANEXO A
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