Elección de Lámparas y luminarias de alumbrado público para uso con energía solar fotovoltaica

Alcance

El alumbrado público por lo general se considera como toda la iluminación de espacios públicos de libre circulación como son los parques y carreteras, y que son responsabilidad de los gobiernos locales y nacionales. Pero para efectos de este artículo, el alumbrado público se toma como la iluminación de cualquier espacio que esté fuera de las edificaciones residenciales o comerciales, normalmente a la intemperie y que está visualmente accesible para todo público. Así, los jardines, aceras, estacionamientos, parques y cualquier área de circulación peatonal o vehicular es considerado un espacio con alumbrado público.

Para poder elegir o diseñar un poste de alumbrado público para ser utilizados con paneles solares fotovoltaicos, se asume que se tiene muy en claro las definiciones de qué son las lámparas y luminarias.

Lámparas y luminarias para el alumbrado público

Una de las principales aplicaciones de la energía solar fotovoltaica hoy en día, es la de suplir energía para las luminarias led en el alumbrado público. Para este tipo de aplicaciones los paneles solares son ideales porque la tecnología led requiere de corriente directa (DC) para su funcionamiento, que es justamente el tipo de corriente que generan los paneles solares. Por supuesto, se debe verificar que las luminarias led no hayan sido diseñadas para trabajar con corrientes AC, porque se desperdiciará de manera innecesaria la energía en las conversiones de DC a AC, y viceversa. Por ejemplo, si va a colocar una lámpara en su jardín alimentada con paneles solares fotovoltaicos, esta no debe funcionar con corriente AC, sino que debe funcionar directamente con corriente DC. Lamentablemente, este tipo de lámparas que funcionan con corriente DC son difíciles de encontrar en los anaqueles de las tiendas hoy día, a pesar de que el mercado de la energía solar fotovoltaica ha crecido considerablemente en los últimos años. La energía solar fotovoltaica demandará en el futuro cercano un crecimiento exponencial de los equipos y electrodomésticos que utilicen exclusivamente corriente DC.

Al tratarse de alumbrado público, que solo se utiliza en las noches, no existe sincronización entre la producción de energía con los paneles solares fotovoltaicos y el uso de esa energía. Por tanto, es obligatorio la utilización de acumuladores de energía, típicamente baterías con electrodos de plomo ácido, níquel - hidruro metálico o de iones de litio. De aquí, se puede deducir que todo el diseño, cálculo y dimensionamiento del sistema solar fotovoltaico para alimentar una luminaria para alumbrado público, depende de la cantidad de energía que consumirá la luminaria durante toda la noche.

Factores que determinan el consumo total de energía de un alumbrado público

El consumo total de energía de una luminaria pública va a depender de una gran cantidad de rasgos entre los que se encuentran el tipo de leds utilizados en la lámpara, la cantidad de lumens que se requieren para el tipo de aplicación para la cual se diseña, y el tiempo que debe permanecer encendida durante la noche. Todos estos elementos que contribuyen al consumo total de energía de la luminaria quedan definidos al momento de diseñar el alumbrado público, y que básicamente dependen de tres factores que son:

• La función del alumbrado público
• El tipo de uso del alumbrado público
• La clase de iluminación que se requiere de acuerdo con el usuario final.

Función del alumbrado público

A grandes rasgos, las funciones del alumbrado público se pueden clasificar de acuerdo a tres necesidades esenciales que son:

• Seguridad
• De conveniencia
• Estética

Alumbrado público para Seguridad

Una de las principales funciones que cumple el alumbrado público es brindar seguridad al mantener iluminada grandes áreas alrededor de nuestros hogares, comercios, parques y carreteras. Si el alumbrado público se diseña con la función principal de seguridad, entonces debe hacerse un análisis detallado de cuáles son los elementos de seguridad que se quieren garantizar. Por ejemplo, si se trata de grandes áreas en un parque, entonces la cantidad de lumens juega un rol importante en el diseño de ese alumbrado. Pero, si por ejemplo, se utiliza en un ambiente comercial donde se lleva a cabo vigilancia a través de cámaras remotas, entonces es fundamental que el tipo de iluminación que se utiliza no altere los colores de los objetos o vehículos. Imagine que un vehículo cause un daño grave a una persona o infraestructura, y que por efectos del tipo de luz que tiene instalada no pueda definir el color verdadero de ese vehículo. En este caso el diseño tiene que considerar el CRI (sigla en inglés de Chromatic Rendering Index) de los leds que se usan en esas lámparas. Así, las características técnicas de una luminaria diseñada para seguridad deben ser analizadas con mucho detenimiento al momento de diseñar la iluminación pública, y son los rasgos que definirán el consumo final de energía de esa luminaria.

Alumbrado público por Conveniencia

En muchas ocasiones la función que cumple el alumbrado público es de mera conveniencia, simplemente porque es adecuado o útil para hacer destacar ciertas zonas o áreas que, aun cuando no se utilicen con frecuencia o a esas horas, son importantes para resaltar una marca o diferenciarse de su entorno, funcionando como elemento de referencia en el espacio. Este tipo de iluminación se suele usar en monumentos naturales o artificiales, áreas turísticas específicas, locales comerciales aislados, áreas de publicidad, paradas de transporte público, etc. Seguramente, usted ha tenido la experiencia de atravesar una zona poblada con una iluminación bastante deficiente, hasta que llega a una esquina donde se encuentra con un local comercial donde todas sus áreas circundantes están ampliamente iluminadas, que lo hace destacar de su entorno y lo convierte inmediatamente en una referencia espacial durante esa travesía. Cuando el rol a desempeñar es la conveniencia se debe evaluar y balancear entre el consumo de energía, la cantidad de lumens requeridos y el volumen de la zona a ser iluminada.

Alumbrado público para Estética

Otra función esencial que cumple la iluminación pública es la de mejorar la estética de objetos o áreas específicas. La cantidad de lumens, el CRI y la temperatura de la iluminación puede generar diferentes sensaciones emocionales que se pueden usar para enaltecer los efectos estéticos en ese objeto o área. Normalmente, la iluminación con esta función se utiliza en jardines, sobre logos o marcas, monumentos, y en zonas exteriores destinadas al esparcimiento tales como cafés, teatros al aire libre o plazas.

Tipos de uso del alumbrado público

Además de tomar en cuenta la función básica que cumplirá la iluminación, también es necesario tomar en consideración el tipo de uso o ámbito en el que se aplicará dicha iluminación. Los tres tipos de usos más generales son:

• Residencial

• Comercial

• Público gubernamental

Iluminación pública Residencial

La iluminación residencial es mucho menos exigente que la iluminación comercial o pública gubernamental porque el ámbito en el que se utiliza es mucho más acotado y los usuarios finales están mejor definidos. Por lo general, se conoce muy bien cuáles son las áreas que deben ser iluminadas y el número total de usuarios que frecuentan esas áreas. Para el uso residencial hay una mayor cantidad de alternativas para elegir el tipo de lámparas y de luminarias, rango de costos y calidades que pueden adaptarse a casi cualquier presupuesto. El factor más importante a la hora de diseñar la iluminación para uso residencial es nivelar las expectativas de lo que se puede lograr con el presupuesto con el que se cuenta.

Iluminación pública Comercial

El área comercial es la que utiliza con mayor frecuencia la iluminación pública con paneles solares fotovoltaicos. Esto se debe a que la relación costo / beneficio es excelente y por lo general los costos de instalación y mantenimiento son menores que los de la iluminación tradicional. Cuando el uso es comercial, el número de usuarios finales no se conoce con exactitud, y las áreas que deben ser iluminadas son mucho más extensas y con mucho más necesidades a cubrir que en el caso de la iluminación para uso residencial. En este caso los parámetros para el diseño son muy variados, y debe hacerse un balance adecuado entre las distintas funciones que cumplirá la iluminación en las diversas áreas, siempre en concordancia con la clase de iluminación que debe elegirse. Las luminarias para la utilización comercial deben ser mucho más robustas, de mejor calidad y durabilidad que las que se usan para el área residencial. En el diseño de sistemas solares fotovoltaicos para iluminación pública comercial es fundamental optimizar el consumo de energía jerarquizando de mayor a menor las funciones de seguridad, conveniencia y estética.

Iluminación público gubernamental

La iluminación para áreas públicas gubernamentales, típicamente conformada por carreteras, autopistas y parques, es mucho más precisa en términos de la clase de iluminación que se requiere y de los fines para los cuales se está implementando. En todos los países existen legislaciones que definen con bastante claridad las zonas que deben ser iluminadas, la cantidad de lumens que se requieren, y otros aspectos más técnicos como la separación entre luminarias, alturas, entre otros parámetros.

Clases de iluminación

La iluminación que produce la tecnología led es muy variada, y dependiendo de la temperatura del color, el CRI y la cantidad de lumens que producen se pueden generar varias clases de iluminación. Las diversas clases de iluminación son útiles y se pueden aplicar correctamente si se conoce cuál va a ser el rol del usuario final que hará uso de esa iluminación. Así, partiendo del usuario final podemos agruparlas básicamente en tres clases que son:

• Peatonal
• Vehicular
• Casos específicos

Iluminación clase Peatonal

El tipo de iluminación para peatones tiene que estar centrada en iluminar la mayor cantidad de área posible hacia los laterales, generar el mayor contraste entre objetos y estructuras, y que no altere demasiado los colores de los objetos. La iluminación peatonal no debe ser colocada a gran altura y por lo general es de temperatura cálida. La iluminación peatonal está destinada a conectar visualmente un punto A con un punto B a lo largo de un camino, donde los postes de iluminación son distribuidos de manera de delimitar claramente dicho camino.

Iluminación clase Vehicular

El tipo de iluminación que requiere una persona que está detrás del volante de un vehículo es muy específica, y debe ser preferiblemente de temperatura fría, con una intensidad relativamente alta de lumens, y debe estar colocada a grandes alturas. Este tipo de iluminación debe respetar los colores reales de objetos y estructuras, y debe iluminar grandes áreas a su alrededor. Este tipo de iluminación está regulada en casi todas partes del mundo y se deben seguir los códigos locales en su aplicación.

Iluminación para casos específicos

Existen casos especiales en los que la clase de iluminación tiene que ser de un tipo específico para considerarse útil para la aplicación para la que fue diseñada. Por ejemplo, en áreas ecológicas protegidas es probable que se necesite de un tipo de iluminación que no llame la atención de los insectos u otros seres vivos. O puede ser una iluminación para jardines en donde se requiere una luz que simule la luz solar. Las luminarias se pueden adaptar casi que a cualquier tipo de necesidad lumínica controlando cada uno de sus aspectos básicos.

Elección de las lámparas y luminarias

Como hemos visto en las secciones anteriores, el consumo total de energía de una luminaria va a depender de los factores que determinan el diseño para una aplicación en particular, que son el tipo de función que cumplirán (seguridad, conveniencia o estética), el tipo de uso que se le dará a la luminaria que puede ser residencial, comercial o gubernamental; y si la clase de iluminación que ofrecen es para uso peatonal, vehicular o para casos especiales.

El problema en la elección de la lámpara led correcta, es que existen centenares de modelos y versiones distintas dentro del catálogo de productos de un mismo fabricante. Cada una de esas lámparas led son diseñadas para una aplicación específica en la que se optimiza el consumo de energía, la cantidad de lumens que emiten, el índice de reproducción de colores, la calidad de la reproducción de esos colores, asi como la eficiencia en términos de lumens por vatio consumido para diferentes condiciones ambientales. Hágase la siguiente pregunta: ¿Por qué un fabricante de lámparas led se molesta en crear centenares de lámparas led distintas? La respuesta es simple, porque cada aplicación requiere de condiciones de iluminación distintas. De hecho, con cada nueva tecnología se generan cada vez mayores grados de complejidad técnica hasta el punto de que hoy día, hay que ser prácticamente casi un experto en lámparas led para poder elegir la lámpara correcta. Información y/o asesorías es lo que le garantizará el éxito en esta faena.

Tómese por ejemplo el catálogo de productos de la marca CREE, uno de los mayores fabricantes de lámparas led del mundo, donde fácilmente encontrará centenares de lámparas leds con una gran diversidad de especificaciones técnicas. En ese catálogo elija cualesquiera de las lámparas y luego diríjase a la página de especificaciones técnicas de esa lámpara en particular. Allí encontrará todos los aspectos que definen el tipo de iluminación que producirá esa lámpara, incluyendo la cantidad de lumens, voltajes, corrientes y temperaturas máximas de trabajo, rango de emisión espectral, CRI, etc.

¿Entonces, esto significa que no puede uno mismo elegir su lámpara led? No, para nada, por supuesto que usted puede elegir su propia lámpara led. Lo que intento hacerle entender, es que al momento de adquirir una lámpara led debe estar al tanto y prestar mucha atención, al tipo de tecnología que está adquiriendo y no dejarse guiar por la estética de la luminaria, por el consumo de potencia, o por los aspectos que intenta resaltar el vendedor. Lo primero que debe hacer es identificar el tipo de lámpara led que utiliza esa luminaria, y buscar las especificaciones técnicas de esa lámpara en la página del fabricante. No es necesario que conozca al detalle todos y cada uno de los aspectos técnicos de la lámpara led, ya que el fabricante, si es un fabricante de calidad, le dará en su sitio web información e indicaciones claras de cuáles son los usos principales de lámpara led, y cuáles son sus ventajas y desventajas con respecto a otros modelos de lámparas. Tome en cuenta, que por lo general el fabricante de la luminaria no es el fabricante de la lámpara.

Las lámparas led no se eligen por la potencia que consumen

Un error muy extendido es elegir la lámpara acorde con la potencia que consumen las luminarias y no de acuerdo con sus características técnicas. Todas las lámparas led bien diseñadas consumen menos energía que los otros tipos de lámpara, por tanto, no hay que dejarse engatusar con los antiguos métodos de selección de lámparas donde el consumo de energía era un elemento clave diferenciador. Hoy día, el único tipo de iluminación que se debe utilizar para casi cualquier actividad o aplicación es la iluminación con lámparas led. Así Las lámparas led, una vez establecido los criterios del diseño acorde con la aplicación, se eligen por la cantidad de lumens que producen, por la eficacia de iluminación (medida en lumens/vatio consumido), la temperatura del color, la intensidad del haz de luz, y su capacidad para rsolver los colores originales del entorno.

Identificando una lámpara led

Al final, una lámpara led se identifica claramente al denominarla por sus “nombres” completos que son:

• Temperatura del color
• Cantidad de lumens que producen
• Eficacia de luminosidad
• Intensidad del haz de luz en el centro
• Capacidad de resolución de color o CRI
• Potencia que consume

Temperatura del color

La temperatura del color, o más específicamente la temperatura del color correlacionado, es un valor que va desde unos 2000 K (kelvin), hasta unos 5800 K. Entre más alta es la temperatura del color más brillante es el tipo de iluminación, la luz es de color más blanco, y paradójicamente se dice que es una luz mas fría. Entre más baja es la temperatura del color, más amarillo es el color de iluminación, menos brillante, y se considera luz calida.

Cantidad de lumens

Los lumens son la unidad de emisión de flujo luminoso en todas las direcciones medido por unidad de ángulo sólido. Determina la intensidad de luz en todas las direcciones.

Eficacia de luminosidad

Es la cantidad de lumens que emite la lámpara por cada vatio de energía eléctrica consumido.

Intensidad del haz de luz en el centro

Cuando se diseña y fabrica una lámpara led, esta tiene una dirección particular hacia la que dirige todo el flujo luminoso. La intensidad del haz de luz en el centro es una medida de cuán concentrado esta ese haz de luz con respecto a los alrededores. Un haz muy concentrado sirve para resaltar objetos como si fuera una linterna, en cambio, un haz poco concentrado difumina la luz en un área mucho mayor.

Capacidad de resolución del color

Es la capacidad de reflejar los colores reales de los objetos bajo iluminación. Se mide en una escala hasta el 100, siendo los valores bajos malos para reproducir los colores y los valores altos muy buenos para mostrar los colores reales.

Potencia de consumo

Es la cantidad de energía total que consume la lámpara led por unidad de tiempo.

Así, una lámpara led se identifica de la siguiente manera:

• Temperatura de color: 2700K
• cantidad de lumens : 5000 lm
• Eficacia de la luminosidad : 108 lm/W
• Intensidad del haz de luz en el centro: 2899 lm
• Capacidad de resolución de color: 90
• Potencia de consumo: 30 W

Es necesario, todos y cada uno de estos parámetros a fin de identificar plenamente a una lámpara led o a su reemplazo.