Aplicación de luminarias con LEDs en la iluminación de vía pública

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Aplicación de luminarias con LEDs en la iluminación de vía pública

Aplicación de luminarias con LEDs en la iluminación de vía pública

Introducción

La búsqueda de nuevas tecnologías para la producción de luz artificial ha sido interés del hombre desde su origen. No por gusto el uso generalizado de la electricidad no por gusto comienza precisamente por la lámpara incandescente de Edison; desde entonces y hasta hoy las aplicaciones más populares y generalizadas de lámparas que funcionan con electricidad son las fluorescentes, de mercurio, de halogenuros metálicos, de sodio y los más recientes LEDs de potencia.

Los diodos emisores de luz (Light-emitting diodes, LEDs, Fig. 1) son dispositivos semiconductores que tienen su origen en la década de los 60 del siglo pasado y constituyen una novedosa forma de obtener luz artificial, muy diferente de los tipos de lámparas existentes hasta ese momento y con cualidades técnicas que propiciaron su perfeccionamiento hasta nuestros días.

Fig. 1. Diferentes tipos de LEDs de potencia.

Para tener una idea del salto tecnológico logrado en los últimos años en estos dispositivos, en la figura 2 se aprecia la proyección de los especialistas para el 2002 y lo que se ha logrado.

Los LEDs actualmente comercializados en lámparas y luminarias presentan una eficiencia luminosa de hasta 90 lm/W para potencias de LEDs desde 1 hasta 10 W, aunque ya en los primeros meses del 2016 se han obtenido valores de hasta 200 lm/W a nivel de laboratorio y se espera llegar en poco tiempo hasta 300 lm/W.

Fig. 2. Pronóstico de evalución tecnológica de los LEDs en el 2002.

Fuente: ©2006 Rensselaer Polytechnic Institute, N.Y. 12180, USA. All Rights Reserved Efficacy. OIDA Technology Roadmap update, 2002.

Las principales ventajas de los LEDs pueden resumirse en los siguientes aspectos:

Vida útil mayor de 50 000 horas.
Alta eficiencia en la producción de luz artificial (> 80%) y por tanto reducción de los costos de electricidad.
Muy buena reproducción de color y temperaturas de color desde los 2 700 ºK y hasta 7 000 ºK para los de luz blanca.
No emiten radiación infrarroja ni ultravioleta.
Encendido instantáneo.
Eliminación de efecto estroboscópico.
Alto factor de potencia (> 0,95 ind).
Fiabilidad de 95%.
Mantenimiento mínimo.
Resistentes a choques y vibraciones.
Operan a baja tensión (no mayor de 48 V de corriente directa).

Las ventajas enunciadas han propiciado que en los últimos tres años las lámparas y luminarias que emplean LEDs hayan incursionado en sistemas de iluminación industrial, de proyección y vial con bastante éxito en el aspecto técnico. Muchos fabricantes tradicionalmente prestigiosos como PHILIPS, OSRAM y otros han perfeccionando esta tecnología y han comenzado a disminuir los precios aunque aun no lo suficiente como para propiciar su generalización. Hoy para su aplicación se requiere una relativa alta inversión inicial, lo cual suele ser una limitante para muchos inversionistas.

La utilización de luminarias con LEDs en la iluminación vial se presenta como una alternativa interesante en un futuro cercano, para reemplazar en muchos lugares las que emplean lámparas de sodio de alta presión (SAP), o Mercurio. El ahorro energético, su larga vida y sus menores gastos de explotación son ventajas que compensan sus relativos costos de inversión elevados ya que su recuperación ocurre en tiempos razonables.

No obstante lo anterior, debe señalarse que hasta el momento la mayoría de estas luminarias de iluminación vial no emplean propiamente lámparas de LEDs, es decir, tienen diseños específicos que los diferentes fabricantes obtienen con una determinada cantidad y distribución de los LED individuales para lograr una potencia y fotometría específicas para cada modelo (Fig. 3). Esto hace imposible hoy hablar de una estandarización de lámparas LEDs para estas luminarias y por lo tanto se sustituye la opción de reemplazo de lámparas por la de reemplazo de luminarias.


Fig. 3. Luminarias de iluminación vial que emplean LEDs individuales distribuidos
de acuerdo a la fotometría y potencia que se desea obtener.

Otros fabricantes han comenzado a incursionar en la implementación de lámparas LEDs con base E-39 y E-40 que ya poseen una fotometría y potencia determinadas, y que pueden sustituir las lámparas de sodio o mercurio tradicionales en las luminarias existentes, lo cual abarata el cambio de tecnología y reduce los periodos de recuperación de las inversiones (Fig. 4). La limitante actual de esta tendencia está dada por la potencia individual disponible de las lámparas LEDs.


Fig. 4. Luminarias de iluminación vial que emplean lámparas de LEDs.

Este reemplazo de luminarias deberá realizarse con criterios técnicos económicos. Técnicamente la luminaria de LEDs que se decida emplear o se seleccione, debe cumplir que su eficiencia (lm/W) y su vida útil (horas) sean mayores que la que sustituye, y que su fotometría cumpla con los requisitos de la vía a iluminar.

Como resultado de lo anterior, en la actualidad no resulta posible, al menos en la iluminación vial, hablar de una sustitución exacta de lámparas de Sodio Alta Presión y de Mercurio de diferentes potencias por lámparas LEDs. En realidad lo que se realiza es, a partir de una iluminación vial existente con luminarias y lámparas tradicionales, la sustitución de dicha luminaria por una de LEDs que emita un flujo luminoso igual al de la lámpara existente, o que garantice un nivel de iluminancia igual al normado para la vía, con una fotometría similar pero con menor consumo de energía eléctrica.

Cabe destacar que las luminarias Led se adaptan a todo tipo de espacios y cumplen las mas rigurosas normas de seguridad. El nivel de protección IP, por ejemplo es uno de los factores claves para que las luminarias puedan ser expuestas a diferentes ambientes.

En la tabla 1 se muestran los datos técnicos más importantes de las lámparas utilizadas para la iluminación vial. Para esta tabla fueron considerados los datos técnicos más recientes de los fabricantes: Philips, Osram, Sylvania y General Electric.

Tabla 1. Datos técnicos más importantes de las lámparas
utilizadas para la iluminación de vía pública

Tipo de
lámpara
Potencia
total
Emisión
luminosa
Eficiencia
de la lámpara
Horas de vida (catálogo)Base o casquillo
WLúmenes promedio (varios fabricantes)Lm/Whoras
HM 125 W137*6 2754624 000E-27
HM 250 W266*12 9254924 000E-40
HM 400 W425*22 1255224 000E-40
HMM 160 W1603 1171912 000E-27
HMM 250 W2505 5002212 000E-40
HMM 500 W50013 6672712 000E-40
Incandescentes1001 360141 000E-27
Incandescentes1502 200151 000E-27
Incandescentes2003 100151 000E-27
Incandescentes3006 20015750E-40
Incandescentes5009 070181 000E-40

Nota: Los valores con * incluyen las pérdidas de balastos.

En Argentina se han comenzado a sustituir en algunas ciudades las luces tradicionales incandescentes por luminaria Led con excelentes resultados.

Para una adecuada comparación de las eficiencias de las luminarias con LEDs vs. otras lámparas, deben valorarse algunos aspectos técnicos de su funcionamiento que pueden ser decisivos en la sustitución, estos aspectos son la temperatura de la unión (Tj) y la temperatura ambiente (Ta) (Fig. 5), y sobre todo, saber cuáles son las potencias de LEDs más eficientes.

A modo de ejemplo, en la actualidad, el LED blanco más eficiente es el de 1 W de potencia, que alcanza valores entre 100 y 120 lm/W de eficiencia. Otros LEDs de 3, 5 y 10 W no sobrepasan en la actualidad los 75 lm/W.


Fig. 5. Temperaturas en los LEDs.

Debe conocerse, además, que estos valores de eficiencia son definidos por los fabricantes para los LEDs individuales, en condiciones controladas de ensayo y nunca formando parte de una luminaria. Cuando los LEDs están formando parte de una lámpara o luminaria a LEDs, las eficiencias de estos son menores y su valor deberá ser definido por el fabricante.

Nótese en la figura 6, que a temperaturas ambientes mayores de 25 ºC la emisión luminosa de los LEDs disminuye, y con ello su eficiencia.

Otro aspecto a considerar en el cálculo final de la eficiencia de una luminaria a LEDs, es el consumo de energía que tiene el convertidor o fuente CA-CD que se requiere para el funcionamiento de los LEDs, y que por lo general se encuentra entre 7 y 20% de la potencia total de los LEDs y su valor varía con el fabricante.

Fig. 6. Dependencia de emisión luminosa
de los LEDs con la temperatura ambiente.


Posibles aplicaciones de LEDs en la iluminación vial atendiendo a su rendimiento luminoso

Las luminarias y lámparas a LEDs existentes en el mercado para aplicaciones de iluminación vial, reportan eficiencias de más de 80 lm/W y hasta 100 lm/W. En la tabla 1 se muestran los datos fundamentales de las lámparas de descargas de alta intensidad de mayor presencia en los sistemas de iluminación vial y en particular sus eficiencias. Se puede observar que, excepto las lámparas de SAP de 250 y 400 W, los valores de la eficiencia de las lámparas y luminarias a LEDs son iguales o mayores que la mayoría de las lámparas actualmente empleadas en la iluminación vial (Tabla 2), lo cual permite contar con otra opción técnica a considerar. El empleo de los LEDs, siempre requerirá de un análisis técnico-económico que lo justifique con respecto a las lámparas tradicionales.

Tabla 2. Posibles sustituciones de lámparas utilizadas
en la iluminación vial por LEDs, en dependencia de la eficiencia (lm/W)

Eficiencia de la lámparaEficiencia de la lámparaHoras máximas de vida (catálogo)Horas de vida (real)Recambio
(anual)
Lm/Whorashoras
LEDs80-10050 00050 0000,08
SAP (70-100-150 W)69-9024 00020 0000,2
HM (125-250-400 W)46-5224 00020 0000,2
HMM (160-250-500 W)19-3012 0006 0000,7
Incandescentes (100-500 W)18-201 000750-1 0005

En la tabla 2 se puede observar que todas las lámparas incandescentes y de mercurio son técnicamente posibles de sustituir por soluciones LEDs, atendiendo a la inferioridad energética que estas poseen. En el caso de las lámparas de SAP deberá realizarse un análisis técnico más cuidadoso.

Teóricamente los ahorros energéticos posibles a obtener, suponiendo que sea posible sustituir las luminarias existentes por las de LEDs que satisfagan los requisitos fotométricos y luminotécnicos de la vía, son los mostrados en la tabla 3. Así las cosas, una lámpara incandescente de 100 W puede ser sustituida por una de LEDs de 17 W, si existiera en el mercado, y obtenerse un ahorro de 83% de la energía consumida.

Tabla 3. Potencia de LEDs con eficiencias de 80 y 100 lm/W requeridas
para la sustitución de lámparas de incandescencia y mercurio, y porcentajes de ahorros

Tipo de lámparaPotencia total (*)Potencia y ahorro con LEDs de 80 lm/WPotencia y ahorro
con LEDs de 100 lm/W
WWAhorro, %WAhorro, %
Incandescentes10017831486
Incandescentes15028822285
Incandescentes20039813185
Incandescentes30078746279
Incandescentes500113779182
HMM 160 W16039763181
HMM 250 W25069735578
HMM 500 W5001716613773
HM 125 W13778436354
HM 250 W2661623912951
HM 400 W4252773522148

(*) Incluye pérdidas de equipos auxiliares.

 

Conclusiones

• El desarrollo de la tecnología LEDs en los últimos 4 años y sus beneficios han permitido ampliar sus aplicaciones luminotécnicas, incluyendo las de iluminación vial con buenas prestaciones técnicas.
La utilización de luminarias con LEDs en la iluminación vial se presenta como una alternativa interesante en un futuro cercano, para reemplazar en muchos lugares las que emplean lámparas incandescentes o de mercurio. El ahorro energético, su larga vida y sus menores gastos de explotación son ventajas que compensan sus relativos costos de inversión elevados, ya que su recuperación de ocurre en periodos razonables.
Debe señalarse que hasta el momento la mayoría de estas luminarias de iluminación vial no emplean propiamente lámparas de LEDs, es decir, tienen diseños específicos que los diferentes fabricantes obtienen con una determinada cantidad y distribución de los LED individuales para lograr una potencia y fotometría específicas con cada modelo . Esto hace imposible hoy hablar de una estandarización de lámparas LED para estas luminarias, y por lo tanto se sustituye la opción de reemplazo de lámparas por la de reemplazo de luminarias.
Técnicamente la luminaria de LEDs que se decida emplear o se seleccione, debe cumplir que su eficiencia (lm/W) y su vida útil (horas) sean mayores que la que sustituye, y que su fotometría cumpla con los requisitos de la vía a iluminar.
Los valores de eficiencia para los LEDs individuales son definidos por los fabricantes en condiciones controladas de ensayo, y nunca formando parte de una luminaria.
Cuando los LEDs están formando parte de una lámpara o luminaria LEDs, las eficiencias son menores y su valor deberá ser definido por el fabricante.
En la tabla 3 se muestran valores orientativos del impacto de la sustitución de lámparas de incandescencia y mercurio por LEDs, y los porcentajes de ahorros.
La sustitución de luminarias con lámparas incandescentes y mercurio existentes en Argentina podría tener un impacto energético con un ahorro medido en MWh anuales más que significativo. Adicionalmente, se reduciría en más de 50% la demanda de potencia que actualmente tienen estas luminarias, y su impacto ambiental se estima en la reducción de 1 500 Ton de CO2 dejadas de emitir a la atmósfera cada año.
El impacto energético de la sustitución de las luminarias de mercurio existentes implican una reducción de CO2.

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Comment (1)

  • Led Tecnología Reply

    Excelente material!

     
    28 agosto, 2016 at 3:11 pm

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