Equipos y eficiencia en alumbrado exterior en Eficiencia energética

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Wikilibro: Eficiencia energética > Capítulo 5: Técnicas de ahorro y tecnologías eficientes en el uso final

Sección 3

Equipos y eficiencia en alumbrado exterior

Alumbrado exterior / público

El objetivo de este apartado será aportar al alumno una descripción de los sistemas actuales de alumbrado exterior más empleados, así como las tecnologías de eficiencia energética disponibles para el ajuste energético de este servicio manteniendo las condiciones de confort adecuadas.

El alumbrado público en España supone un 10% del consumo energético en iluminación. Los últimos datos del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio que se disponen, suponen un gasto de 5,2 TWh en 2007, frente a los 2,8 TWh declarados en 2006. Hay que tener en cuenta que en total existen más de 4 millones de puntos de luz, y que un tercio del alumbrado público se basa en tecnologías ineficientes y obsoletas.


Evolución del gasto en alumbrado público. Fuente MITyC e INE


El gasto en alumbrado público en España se sitúa en 116 kilovatios por año y habitante, frente a los 91 y 43 de Francia y Alemania, respectivamente. El objetivo fijado en el Plan de Eficiencia Energética 2004-2012 consiste en alcanzar 75 kilovatios por año y habitante, un reto importante considerando que ninguna provincia española alcanza dicho objetivo actualmente.

Instalaciones actuales

Tomando como referencia estudios sectoriales, el alumbrado público es la instalación que causa mayor incidencia en el consumo energético de un municipio, pudiendo representar el 54% sobre el total de los consumos energéticos de las instalaciones municipales y el 61% de electricidad. La importancia de las instalaciones de alumbrado público es tal que en algunos municipios supone hasta el 80% de la energía eléctrica consumida y hasta el 60% del presupuesto de los consumos energéticos del ayuntamiento.


Distribución de consumos de electricidad en alumbrado exterior. Fuente: Agencia Andaluza de la Energí


Alumbrado funcional y ambiental

Existen, principalmente, dos tipos de alumbrado en función de los objetivos que se pretenden:

  • Alumbrado funcional
    • Ofrece seguridad al tráfico rodado: siendo vital para la prevención de accidentes y pérdidas de vidas (iluminación de carretera, paneles informativos…).
    • Ofrece seguridad al tráfico peatonal: previniendo atropellos
    • Ofrece confianza en la actividad nocturna.
    • Evita actividades delictivas.

Alumbrado ambiental

    • Acompaña a la actividad de ocio nocturna aumentado el horario de disfrute de las áreas lúdicas.
    • Aumenta la sensación de comodidad y bienestar, aportando valor a estas áreas.
    • Ofrece poder de atracción hacia estas áreas.
    • Aporta diseño como valor añadido al entorno nocturno y diurno.
    • Atendiendo al sistema de alumbrado, los elementos básicos que lo componen son:
    • Fuente de luz o lámpara: es el elemento destinado a suministrar la energía lumínica.
    • Luminaria: aparato cuya función principal es distribuir la luz proporcionada por la lámpara.
    • Equipo auxiliar: muchas fuentes de luz no pueden funcionar con conexión directa a la red, y necesitan dispositivos que modifiquen las características de la corriente de manera que sean aptas para su funcionamiento.

Lámparas

Por tipo de lámparas, los principales equipos que se pueden dar son:

  • Lámparas fluorescentes
  • Lámparas de vapor de mercurio a alta presión
  • Lámparas de vapor de sodio a baja presión
  • Lámparas de vapor de sodio a alta presión
  • Lámparas de mercurio con halogenuros metálicos
  • Lámparas de descarga por inducción
  • LEDS


Tipos de lámparas: fluorescentes. Fuente: IDAE


Tipos de lámparas: inducción electromagnética y vapor de mercurio. Fuente: IDAE


Tipos de lámparas: halogenuros metálicos y vapor de sodio. Fuente: IDAE


Las de vapor de mercurio son las más utilizadas en alumbrado exterior. Este tipo de lámpara se caracteriza por un color blanco azulado, lo que le confiere una temperatura de color fría que unido a una reproducción cromática media las ha hecho tradicionalmente atractivas para el uso en el alumbrado exterior a pesar de su baja eficiencia energética.

Frente a ellas, se tienen las lámparas de vapor de sodio de alta presión, con una temperatura de color más cálida y una reproducción cromática más baja, pero con una eficiencia energética muy superior que ha hecho que poco a poco vaya aumentando paulatinamente su presencia en el alumbrado exterior.

A estas dos tipologías de lámparas sigue, aunque a gran distancia en cuanto a su número, las de halogenuros metálicos en sus distintos formatos. Se trata de lámparas en continua evolución y con las que, a través de una mezcla de los gases incluidos en la ampolla, se persigue mejorar la reproducción cromática y la eficiencia energética, aunque sin llegar en general a los niveles de rendimiento del vapor de sodio de alta presión. Otros tipos como luz mezcla, halógenas, fluorescente lineal etc. apenas se encuentran presentes en aplicaciones de alumbrado exterior. La iluminación por LED se está empezando a introducir en algunos proyectos de demostración, y aunque probablemente será la tecnología del futuro, actualmente no tiene implantación. En cualquier caso, se puede encontrar una descripción detallada en apartados posteriores.


Distribución de las lámparas de alumbrado exterior por tecnologías. Fuente: Agencia Andaluza de la Energía


Luminarias

Son aparatos que distribuyen, filtran o transforman la luz emitida por una o varias lámparas. Contienen todos los accesorios necesarios para fijarlas y protegerlas y, cuando resulta necesario, disponen de los circuitos y dispositivos necesarios para conectarlas a la red de alimentación eléctrica.

La luminaria se compone de cuerpo o carcasa, bloque óptico y alojamiento de auxiliares, además de las juntas de hermeticidad, cierres, etc., tal y como se representa en la figura siguiente


Despiece de una luminaria. Fuente: IDAE.


El cuerpo o envolvente principal es la parte que estructuralmente soporta a los conjuntos óptico y eléctrico de la luminaria y, por tanto, debe ser resistente mecánicamente, ligero de peso y con excelentes propiedades de dispersión, resistencia térmica y duración, además de cumplir una misión estética. Aun cuando existen cuerpos de plásticos técnicos y chapa de aluminio, se consideran en principio como los más idóneos los cuerpos o carcasas de aleación ligera, como es el caso de la inyección de aluminio.

El bloque óptico puede estar formado por reflector, refractor y difusor. Los reflectores son normalmente de aluminio de máxima pureza, pulido, abrillantado y tratado normalmente mediante oxidación anódica. El refractor de calidad habitualmente es de vidrio de elevada transmitancia e inalterabilidad a la luz natural o artificial, debiendo ser pequeño su coeficiente de dilatación térmica, obteniéndose los refractores bien por prensado o soplado.

Los alojamientos de auxiliares deben ser mecánicamente resistentes para soportar adecuadamente el peso del equipo eléctrico y térmicamente han de disipar muy bien el calor generado por el propio funcionamiento del equipo eléctrico, con unas dimensiones suficientes para dicho equipo, de fácil accesibilidad y seguridad, que permita con comodidad realizar las reparaciones y reposiciones que se precisen.

Las juntas de hermeticidad han de ser flexibles, resistentes a alta temperatura y a los agentes atmosféricos, empleándose normalmente cauchos silicónicos, policloroprenos, termopolimeros de etileno-propileno, juntas de poliester calandrado, etc.

La luminaria y, en concreto, el bloque óptico debe estar dotado de los correspondientes dispositivos de reglaje, de forma que pueda variarse la posición de la lámpara respecto al reflector, de acuerdo con el tipo de implantación y prestaciones que se requieran de la luminaria.

Las luminarias tienen un papel muy importante en el conjunto de alumbrado, ya que son las encargadas de dirigir la luz de la lámpara a la zona que se desea iluminar. Existe una gran cantidad de luminarias disponibles, aunque los principales factores que deben tenerse en cuenta es si están cumpliendo su función y si existe espacio suficiente en el alojamiento de los auxiliares en caso de querer realizar una sustitución de los mismos.

Equipos auxiliares

Las lámparas de descarga en general tienen una característica tensión-corriente no lineal y ligeramente negativa, que da lugar a la necesidad de utilización de un elemento limitador de la intensidad que se denomina genéricamente balasto, para evitar el crecimiento ilimitado de la corriente y la destrucción de la lámpara cuando ésta ha encendido.

Asociado al balasto, según el tipo deberán preverse los elementos adecuados para la corrección del factor de potencia. Además de los dispositivos de regulación de la corriente de lámpara y de corrección del factor de potencia, requeridos por todas las lámparas de descarga para su funcionamiento, algunos tipos de lámparas de alta corriente de descarga, como son las de vapor de sodio a alta presión (VSAP), lámparas de mercurio con halogenuros metálicos (HM) de tipo europeo y vapor de sodio a baja presión (VSBP), necesitan una tensión muy superior a la de la red para iniciar o “cebar” la corriente de arco. Se precisa, por tanto, incluir en el equipo auxiliar un dispositivo que proporcione y soporte en el instante de encendido la alta tensión necesaria para el cebado de la corriente de arco de la lámpara. Dicho dispositivo se denomina arrancador.

Balastos

Tal y como se ha avanzado, son dispositivos limitadores y estabilizadores de la corriente de arco o de lámpara, que impiden que dicha corriente crezca indefinidamente hasta la destrucción de la propia lámpara. Comprenden dos grandes grupos: los balastos electromagnéticos y los electrónicos, cuyos tipos más utilizados son los siguientes:

Balasto serie de tipo inductivo

  • Balasto serie de tipo inductivo para dos niveles de potencia
  • Balasto autorregulador
  • Balasto autotransformador
  • Balasto electrónico

Si bien el balasto electromagnético serie de tipo inductivo es el más utilizado, proporciona una baja regulación de corriente y de potencia frente a las oscilaciones de la tensión de la red de alimentación, por lo que generalmente su uso será adecuado siempre que dicha tensión no fluctúe más del 5 %. Cuando se prevean variaciones constantes o permanentes a lo largo del tiempo superiores en la tensión de la red, resultará idónea la instalación de balastos serie de tipo inductivo con dos tomas de tensión, aplicando la más conveniente. Si dichas oscilaciones de tensión son variables en el tiempo, bien durante las horas de encendido diario, a lo largo del fin de semana y/o estacionales, será adecuado utilizar balastos autorreguladores, electrónicos o un sistema de estabilización de tensión en cabecera de línea.

Los balastos denominados autorreguladores, al presentar una buena regulación de la corriente y potencia de lámpara en relación a las alteraciones de tensión de la red de alimentación, se utilizarán cuando dicha tensión oscile más del 10 %. En el caso de que la mencionada tensión sea insuficiente para un funcionamiento estable de la lámpara, se instalarán balastos autotransformadores que elevarán la tensión y regularán la corriente, y su uso se preverá generalmente cuando la tensión de la red de alimentación resulte inferior a 200 V. En cualquier caso, estos equipos no son muy empleados.

Condensadores

Para equipos para lámparas de descarga el condensador deberá ir asociado al balasto, bien en conexión a la red de alimentación para corregir el factor de potencia, o bien instalado en serie con el balasto y la lámpara sirviendo como elemento regulador de corriente y compensación, tal como es el caso de los balastos autorreguladores.

Los balastos electrónicos no requieren dispositivos adicionales para la corrección del factor de potencia, al incluir un circuito electrónico diseñado a tal efecto.

Arrancadores

Este equipo es un dispositivo eléctrico, electrónico o electromecánico que por si mismo o en combinación con el balasto, genera y superpone a la tensión de la red el impulso o los impulsos de alta tensión necesarios para el correcto cebado o encendido de la lámpara.

Los tipos de arrancadores para lámparas de descarga, excepto las lámparas fluorescentes tubulares, son los siguientes:

  • En serie con la lámpara (de impulsos independientes)
  • En semiparalelo (de impulsos dependientes del balasto al que va asociado)
  • En paralelo (independiente de dos hilos)

Elementos de maniobra

Se tratan de dispositivos que permiten programar el funcionamiento del alumbrado adecuándolo en mayor o menor medida a las necesidades efectivas del mismo. Entre los elementos de maniobra más empleados están las fotocélulas y los relojes analógicos o astronómicos, pudiendo ser en este segundo caso, programado in situ o de forma remota a través de un sistema de telegestión.

Hay que destacar que, según estudios sectoriales como el de la Agencia Andaluza de la Energía, aún hoy, el 34% de las instalaciones se controla sólo con fotocélula o reloj horario, sistemas que provocan grandes desviaciones entre las horas de funcionamiento de las instalaciones y las horas reales de necesidad de las mismas, con la consiguiente pérdida de energía. Por otro lado, destaca el reducido porcentaje que representan en la actualidad los sistemas de telegestión (1%), cuando son los sistemas que ofrecen el mejor conocimiento y el control más efectivo de las instalaciones de alumbrado público.

Por otro lado, los sistemas de reducción de flujo son elementos que posibilitan reducir el nivel de iluminación a partir de cierta hora de la noche en la que la actividad en la calle ha disminuido, no siendo necesario por tanto un uso tan intenso del mismo. Es importante destacar que más de un 60% de los cuadros de alumbrado público no cuenta con ningún sistema de ahorro energético. Un 30% dispone de sistemas de reducción de nivel de iluminación por corte de fase o doble circuito. Se trata de una práctica bastante habitual, aunque no resulta aconsejable al dar lugar a una mala uniformidad en la iluminación vial con grave pérdida de la seguridad. El resto de sistemas, reguladores de flujo en cabecera y balastos de doble nivel, no han sido muy empleados en las instalaciones, según se muestra en el gráfico, si bien, son los sistemas con los que se consiguen los mayores ahorros energéticos y económicos.

Como se verá más adelante, la instalación de equipos de eficiencia energética queda asegurada en nuevas instalaciones a partir de aparición del Nuevo Reglamento de Eficiencia Energética en Alumbrado Exterior (RD1890/2008), de entrada en vigor en abril de 2009.

Las lámparas fluorescentes necesitan para su funcionamiento un cebador, mientras que las de vapor de sodio a baja presión también pueden funcionar con un balasto autotransformador.


Elementos de control en alumbrado exterior. Fuente: AAE


Elementos de regulación para el ahorro en alumbrado exterior. Fuente: AAE


Medidas de ahorro energético

Para reducir el consumo de energía en alumbrado exterior se debe actuar sobre las instalaciones que las componen, bien por optimización de los sistemas instalados o bien por renovación o introducción de nuevos sistemas de eficiencia energética. Se estima que podrían lograrse reducciones de entre el 20 % y el 85 % en el consumo eléctrico del alumbrado, merced a la utilización de componentes más eficaces así como al empleo de sistemas de control.

Lámparas

Como se ha descrito, las lámparas son la fuente o emisor luminoso de la instalación, por ello su elección constituye una de las mayores dificultades a la hora de diseñar una instalación, fundamentalmente debido a que tanto la potencia consumida, la duración de vida y el color de la luz, vienen condicionados por el tipo de lámpara.

Los factores más importantes que deben tenerse en cuenta en la definición y selección del tipo de lámpara a emplear son la eficacia luminosa, la duración de vida media y vida útil, la temperatura de color y el rendimiento cromático o reproducción de colores.

Como ya se ha indicado anteriormente, en las instalaciones actuales, la lámpara más comúnmente utilizada en el alumbrado exterior es la de vapor de mercurio. Sin embargo, este tipo de lámpara tiende hoy en día a ser sustituido, en las zonas sin exigencias de color, por lámparas de mayor eficacia como son las lámparas de sodio a alta o baja presión. En el caso de las lámparas de sodio de alta presión, su elevada eficacia las hace especialmente aconsejables, bajo la óptica energética, en zonas donde los requisitos de color no son críticos, como por ejemplo, en autopistas.

Las lámparas de sodio de baja presión, a pesar de ser la solución de mayor eficacia existente en la actualidad, poseen grandes dimensiones que pueden determinar en muchos casos, su escasa utilización, ya que el cambio de luminaria para adaptarse a la lámpara implicaría un coste adicional que puede no hacer rentable el proyecto. A esto se debe unir su mala reproducción cromática, haciendo que no sean aplicables en gran parte de las situaciones

En la siguiente tabla se refleja la diferencia de potencia (W) de las lámparas de vapor de mercurio y de sodio de alta presión a igualdad de flujo luminoso

Equivalencia de potencias eléctrica para flujos luminosos similares. Fuente: EOI. Cursos OL Servicios Energéticos
Energía (W)
Vapor de Mercurio (VM) Vapor de Sodio Alta Presión (VSAP)
80 50
125 70
250 150
400 250

Para lámparas instaladas en zonas de altos requerimientos cromáticos (luz blanca) se aconseja que se usen lámparas de halogenuros metálicos, que presentan un comportamiento energético mejor que el de las lámparas de vapor de mercurio emitiendo una luz de parecidas características.

Sistemas de iluminación exterior más empleados. Fuente: EOI. Cursos OL Servicios Energéticos
Sodio Baja Presión Sodio Alta Presión Vapor de Mercurio LEED
Potencia 18-200 35-1.000 50-1.200 1,5-160
Flujo luminoso 2.000-30.0000 1.500-150.000 2.000-57.000 50-10.000
Eficacia luminosa 120-180 95-140 50-60 80-186
€/Klumen 2-5 0,8-3 0,96-2,06 >100
€/W 0,24-0,7 0,076-0,33 0,050-0,071 >7,5
IRC 25 25-65 40-55 60-92
TºColor (ºK) 2.000-2.300 2.000-2.300 3.500-4.000 2.650-6.800
Vida Media (h) 12.000 15.000 5.000 35.000
Vida útil (h) 6h/día 16.000 24.000 3.500-4.000 >50.000
T encendido (sg) 7-12 2-10 300 0
T reencendido (min) 1-15 3-7 1-25

Equipos auxiliares

Como se ha adelantado anteriormente, los sistemas para iluminación que integran lámparas de descarga asociadas a balastos tipo serie, de Vapor de Sodio Alta Presión (VSAP) o Vapor de Mercurio (VM), son muy susceptibles a las variaciones en su tensión de alimentación. Tensiones superiores al 105 % del valor nominal para el que fueron diseñadas disminuyen fuertemente la vida de las lámparas y equipos incrementando el consumo de energía eléctrica.

La figura siguiente refleja la fuerte influencia de la tensión de alimentación en el consumo y en la vida de una lámpara VSAP. El incremento del 7 % produce una disminución en la vida de la lámpara del 50 % y un exceso de consumo del 16 %. De ahí la gran importancia de estabilizar la alimentación que llega a los receptores de alumbrado.


Influencia de la tensión en el consumo y la vida de una lámpara VSAP. Fuente: Fenercom


La introducción de balastos electrónicos soluciona este problema, además de reducir el consumo del equipo auxiliar de manera importante. De manera concreta, el balasto electrónico es un dispositivo compacto que realiza las funciones del equipo auxiliar y, por tanto, sustituye al balasto electromagnético, condensador y arrancador en las lámparas de sodio a alta presión. El balasto electrónico estabiliza la potencia en lámpara y, consecuentemente, el consumo en red frente a variaciones de tensión comprendidas entre 180 y 250 V. Como resultado, al estabilizar la potencia, mantiene la vida media de la lámpara mejor que los balastos electromagnéticos. Por el contrario, los balastos electrónicos son equipos más sensibles y menos robustos que los electromagnéticos.

En las condiciones de funcionamiento las pérdidas propias del balasto electrónico no superan el 4 ó 5% de la potencia eléctrica consumida en lámpara, lo cual resulta ventajoso frente al consumo real del equipo auxiliar (balasto electromagnético, condensador y arrancador) que oscila entre un 9,3 y un 27,5% sobre la potencia nominal de la lámpara.

El inconveniente de los balastos electrónicos frente a los electromagnéticos, dada su mayor sensibilidad, es la especial protección que debe tenerse en cuenta en relación específicamente a las tormentas meteorológicas entre nubes y tierra con sobrecargas eléctricas (rayos), elevadas temperaturas, perturbaciones eléctricas, etc.

Como se verá más adelante, existen otras formas de estabilizar la tensión de entrada sin necesidad de sustituir balastos y que puede resultar más rentable desde el punto de vista económico.


Balasto electromágnético


Balasto electrónico


Equipos de control

Se puede actuar en el funcionamiento normal del ciclo de iluminación desde varios puntos. Por un lado, optimizando los tiempos de encendido (en el ocaso) y de apagado (en el orto), ajustándolos exactamente a las condiciones de ahorro deseadas, siempre manteniendo las condiciones de seguridad. Esto se realiza mediante el uso de equipos de control destinados a estas funciones, como pueden ser los interruptores crepusculares y los interruptores horarios astronómicos. Igualmente se puede actuar sobre la intensidad luminosa del alumbrado mediante la reducción del nivel luminoso.

Interruptores crepusculares

Son dispositivos electrónicos capaces de conmutar un circuito en función de la luminosidad ambiente. Para ello utilizan un componente sensible a la luz (célula fotoeléctrica) que detecta la cantidad de luz natural que existe en el lugar de instalación, comparando este valor con el ajustado previamente. En función de esta comparación, se activa o desactiva un relé que estará conectado en la instalación con los elementos de maniobra de encendido-apagado de la iluminación.

Para un correcto funcionamiento de las instalaciones de alumbrado con interruptores crepusculares, éstos deben estar dotados de circuitos que incorporen histéresis, es decir, un retardo antes de las maniobras que posibilite eliminar fallos de encendidos o apagados debidos a fenómenos meteorológicos transitorios, tales como el paso de nubes, rayos, etc., o luces de automóviles.

Los inconvenientes del uso de los interruptores crepusculares son el difícil acceso a los mismos durante su mantenimiento o reparación, ya que normalmente se instalan en lugares de complicado acceso. Además, la polución provoca un paulatino oscurecimiento de las envolventes, por lo que a lo largo del tiempo las maniobras no se realizan en los momentos esperados.

Interruptores horarios astronómicos

Son interruptores horarios que incorporan un programa especial que sigue los horarios de ortos y ocasos de la zona geográfica donde esté instalado. Esta característica tiene la importante ventaja de que no es necesaria la reprogramación manual y periódica de los tiempos de encendido y apagado. Además, tienen la posibilidad de poder retrasar o adelantar de manera uniforme estos tiempos de maniobra, consiguiendo con ello un ahorro adicional.

Estos interruptores horarios deben disponer de dos circuitos independientes, uno para el encendido y apagado total del alumbrado y otro para las órdenes de reducción y recuperación de flujo luminoso, durante las horas de menos necesidad de todo el flujo.

Existen modelos que permiten incorporar días especiales, en los que las maniobras son distintas debido a festividades, fines de semana, etc.

Finalmente, no hay que olvidar que para que el interruptor horario no derive la ejecución de las maniobras a lo largo del tiempo, debe cumplir con una buena base de tiempos y un ajuste adecuado de su precisión de marcha.

Métodos de control

Apagado parcial (doble circuito)

Con este sistema lo que se consigue es reducir el consumo apagando parte de las luminarias durante un periodo de tiempo determinado, siendo el ahorro conseguido directamente proporcional al número de luminarias apagadas.

Aunque el sistema es efectivo, su mayor inconveniente es la pérdida de uniformidad lumínica. Además, en los casos donde siempre se apagan las mismas luminarias existe una disparidad en la vida de las lámparas. Por estos motivos, se desarrollaron los interruptores horarios astronómicos con circuitos alternativos, de forma que cada día alternaba el circuito a apagar.

Reactancias de doble nivel

Este sistema está basado en una reactancia que posibilita variar la impedancia del circuito mediante un relé exterior, reduciendo la intensidad que circula por las lámparas y consiguiendo ahorros del 40 % aproximadamente. La orden de activación viene dada por un hilo de mando o por un temporizador interno.

Pese a evitar el problema de la falta de uniformidad lumínica, el cambio brusco de régimen normal a régimen reducido provoca una sensación de falta de luz en el usuario. En los sistemas que incorporan un temporizador para evitar la instalación de la línea de mando, la reducción no está sincronizada y se produce a destiempo en las lámparas. En caso de un reencendido de la instalación de alumbrado cuando está en situación de nivel reducido, el temporizador inicia un nuevo retardo al volver la tensión de red, perdiéndose prácticamente el ahorro correspondiente al tiempo de régimen reducido.

Ninguno de los dos sistemas anteriormente descritos solventan los problemas de sobretensión en la red que disminuyen fuertemente la vida de las lámparas y equipos, y que provocan un gran incremento en el consumo de energía eléctrica

Estabilizadores de tensión y reductores de flujo luminoso en cabecera

La ventaja principal de estos equipos frente a las reactancias de doble nivel es que soluciona los problemas producidos por la inestabilidad de la red ya que durante las horas de régimen normal estabilizan la tensión de alimentación de la línea. En las horas de régimen reducido disminuyen la tensión a todas las luminarias, consiguiendo un ahorro adicional. Véase la incidencia de la tensión de alimentación en la siguiente figura.

El hecho de estar instalados en cabecera de línea, hace que su incorporación tanto en instalaciones de alumbrado nuevas como las ya existentes sea sencilla (no se precisa intervención, siempre costosa, en cada uno de los puntos de luz del alumbrado) y facilita el acceso para su mantenimiento.

La instalación de un estabilizador de tensión y reductor de flujo en cabecera de línea (en adelante reductor de flujo) evita excesos de consumo en las luminarias, prolonga la vida de las lámparas y disminuye la incidencia de averías.

A modo de resumen, las ventajas de los estabilizadores de tensión y reductores de flujo luminoso en cabecera de línea son:

  • Prolonga la vida de las lámparas.
  • Disminuye el coste de mantenimiento.
  • Mantiene la uniformidad del alumbrado.
  • Evita excesos de consumo (nivel nominal).
  • Disminuye el consumo hasta el 40 % (nivel reducido).
  • Rápida amortización.
Funcionamiento de los reductores de flujo luminoso

Los reductores de flujo están previstos para funcionar a régimen continuo. No obstante se recomienda desconectar de la red durante las horas en que la iluminación no funciona, evitando de esta forma su reducido consumo en vacío. La conexión y desconexión de la red se realiza diariamente por un contactor controlado por un interruptor crepuscular o por un interruptor horario astronómico instalado en el cuadro de alumbrado.

Detallando el funcionamiento, los bornes del cambio de nivel (flujo nominal a reducido) reciben la orden a la hora deseada, iniciando una lenta disminución (aprox. 6 V por minuto) hasta situarse en la tensión de régimen reducido. La regulación de la tensión nominal de salida tiene que seguir manteniéndose en el ± 1 % para cualquier variación de carga de 0 a 100 %, y para las variaciones de la tensión de entrada admisibles (normalmente ± 7 %), debiendo ser esta regulación totalmente independiente en cada una de las fases.

Ciclos de funcionamiento

Régimen de arranque: Desde el momento de la conexión a la red, los reguladores de flujo inician su ciclo de funcionamiento con una tensión de arranque ligeramente superior a la necesaria por los ignitores de encendido del equipo de iluminación, consiguiendo un suave arranque de las lámparas y limitando los picos de intensidad de arranque en los balastos y líneas de alimentación. Este valor de tensión de arranque se mantiene durante un tiempo programable (desde unos segundos hasta varios minutos), transcurrido el cual el equipo varía la tensión de salida hasta quedar estabilizada en el nivel correspondiente (normal o reducido). Los tiempos más cortos (menos de 3 minutos) se utilizan para fluorescencia y lámparas especiales. Con 6 minutos aproximadamente de tiempo de arranque se consigue la estabilización después del encendido de las lámparas de VSAP. Finalmente con 12 minutos de tiempo de arranque, se garantiza el reencendido adecuado de lámparas de VM y halogenuros metálicos.

Estabilización a régimen normal: Normalmente se puede elegir un pequeño rango de tensiones de salida, dependiendo del grado de envejecimiento de las lámparas, de su tensión nominal y del ahorro adicional que se quiera conseguir en el caso de nuevas instalaciones. El proceso sería el siguiente:

  • Cuando todas la instalación tiene lámparas nuevas, se puede programar un régimen normal a 210 V.
  • Pasado el primer tercio de la vida útil, se puede cambiar a 215 V
  • Pasados dos tercios de la vida útil de las lámparas se puede volver a cambiar a su tensión nominal.

De esta forma se mantiene prácticamente uniforme el flujo luminoso de la instalación durante toda la vida de las lámparas

Estabilización a régimen reducido: Una orden externa, generada por un elemento de control (interruptor crepuscular o interruptor horario astronómico) fija el nivel de iluminación en función de las horas a régimen normal o régimen reducido. La velocidad de variación de la tensión de salida, cuando se cambia de régimen normal a régimen reducido o viceversa se realiza de forma lenta (alrededor de 6 V por minuto), de manera lineal en los equipos de variación continua y con pequeños saltos en los modelos de variación escalonada. De esta forma se garantiza el perfecto comportamiento de las lámparas sin deterioro de su vida.

Las tensiones de régimen reducido oscilan entre 175 V para VSAP y 195 V para VM. El régimen reducido puede ser mantenido hasta la hora de apagado del alumbrado o retornar al régimen normal en las primeras horas de la mañana. Estas tensiones se pueden programar con un pequeño incremento (por ejemplo 5 V) a fin de corregir una iluminación escasa o caídas de tensión importantes en las instalaciones de alumbrado.


Efecto de los reductores de flujo luminoso. Fuente: Fenercom


Rendimiento

El rendimiento de los reductores de flujo se determina como cociente entre la potencia activa de salida y la potencia activa de entrada, expresado en porcentaje, y en cualquier caso debe ser siempre superior al 95 %.

Características generales e los reductores de flujo

A modo de resumen, las características básicas que debe cumplir cualquier reductor de flujo son las siguientes:

  • Rendimiento superior al 95 %.
  • Rango de potencia variable
  • Reducción de consumo hasta el 40 % sobre el nominal.
  • Fases totalmente independientes.
  • Protección por magnetotérmico en cada fase.
  • By-pass por fase.
  • Carga admisible del 0 al 100 %.
  • Mantenimiento del Cos Fi
  • No introducción de armónicos en la red.
  • Estabilización ± 1 %.
  • Flujo nominal configurable.
  • Flujo reducido configurable.
  • Tiempo de arranque variable.
  • Velocidad de cambio de nivel: 6 V/minuto aprox.
  • Por su tipo de regulación, los reductores de flujo se pueden clasificar en reguladores de variación continua y de variación escalonada.
Auxiliares de regulación

Como se ha definido anteriormente, las instalaciones de alumbrado público se componen de forma mayoritaria de equipos con lámparas de VSAP o VM. En los equipos con balasto serie y lámpara de VSAP se pueden regular y reducir su potencia con los equipos reductores de flujo en cabecera de línea hasta el 40 % sobre el valor nominal. Con equipos para lámparas VM y balastos tipo serie, se puede reducir directamente la potencia del sistema hasta el 25 % del valor nominal, equivalente a una tensión de alimentación de 195 V. Cuando se intentan reducciones por debajo de 195 V se producen apagados e inestabilidad en la instalación de alumbrado motivados por la característica inversa de la tensión de arco de las lámparas (a menor potencia, mayor tensión de arco).

Existen instalaciones de alumbrado con lámparas de VSAP y VM en la misma instalación, caso en el que se restringe la reducción de toda la instalación a los parámetros de las lámparas de VM (25 % de reducción). Con el fin de lograr el mayor ahorro posible y un funcionamiento estable en las lámparas de VM, se desarrollan los auxiliares de regulación, un novedoso componente que instalado entre el balasto y lámpara de VM, permite reducir la tensión a 175 V evitando los indeseados apagados e inestabilidades y obteniendo ahorros superiores al 35 % en VM para valores en la tensión de flujo reducido equivalentes a las lámparas de VSAP de 175 V. Con la incorporación de los auxiliares de regulación se obtienen ahorros similares en las lámparas VSAP y VM, en instalaciones que comparten los dos modelos o únicamente con lámparas de VM eliminando a su vez las molestas perturbaciones que producen estas lámparas

Telegestión

Los sistemas de telegestión permiten, por un lado, controlar desde el punto de vista energético las instalaciones, supervisando en todo momento los consumos energéticos que se están produciendo, pudiendo valorar si son coherentes o no y el ahorro que se está realizando tras la introducción de medidas de ahorro energético. Por otro lado, posibilita mantener la correcto gestión de las instalaciones a distancia, permitiendo detectar puntos de luz fuera de funcionamiento o problemas que generen alarmas.

Los sistemas de telegestión suelen estar formados por equipos encargados de realizar las medidas eléctricas, ofrecer información directa y establecer las comunicaciones; pueden disponer también de varios nodos secundarios conectados en las diversas líneas del cuadro y que vigilan el perfecto funcionamiento de las maniobras y protecciones del mismo, mandan información permanentemente del funcionamiento y anomalías al controlador principal.

Funcionamiento

En relación a la valoración del ahorro energético, los sistemas de telegestión efectúan un cálculo del ahorro de energía por cada fase, a partir de la diferencia de potencial entre las tensiones de entrada y salida de cada una de las fases. El porcentaje de ahorro se estima para una instalación de alumbrado con lámparas de VSAP y vida media de las lámparas. En cuanto a las maniobras, se activa un relé, con salida libre de potencial, por cada fase de entrada, a fin de efectuar un by-pass independiente en cada fase del reductor-estabilizador en el cuadro de alumbrado, en cuanto se detecte que la tensión de salida desaparece o es inferior a 160 V.

Puede disponer de una entrada de control de tensión, para indicar el estado de funcionamiento de la instalación de alumbrado y para la señalización del estado de reducción de flujo. Disponen de alarmas por fallo de tensiones en las salidas y en la entrada general, alarmas de intrusismo y apertura del cuadro.

Todas las alarmas y medidas se pueden gestionar mediante aplicaciones informáticas, bien en modo local o bien en modo remoto, mediante módem, telefónico o GSM.

Asimismo, se puede programar el envío de ciertas alarmas a teléfonos GSM mediante mensajes SMS. Igualmente desde el teléfono GSM se pueden enviar ciertos comandos mediante mensajes SMS al módem GSM instalado en el cuadro eléctrico para recibir información de las tensiones de entrada -salida y alarmas, ordenar conexión y desconexión del cuadro, anular la reducción de flujo y conexión - desconexión del bypass. Estas últimas funcionalidades son muy útiles en tareas de mantenimiento

Software de comunicaciones

Las aplicaciones informáticas tienen, entre otras, las siguientes posibilidades en cuanto a petición de parámetros de trabajo:

  • Tensión de línea, intensidad de línea y cosenos de cada fase.
  • Tensión de salida del regulador-estabilizador en cada fase.
  • Porcentaje de ahorro por faseT.
  • Porcentaje de ahorro total.
  • Consumo energético por fase y total.
  • Incidencias posibles en cada nodo esclavo.

Tecnología LED

El rápido desarrollo de los LEDs (Light Emiting Diodes) como nuevas fuentes de emisión luminosa ha permitido que de ser consideradas en el pasado simplemente indicadores luminosos, pasen a ser habitualmente empleadas en sistemas de señalización luminosa y se inicie su introducción en los sistemas de alumbrado e iluminación. Esto ha sido posible por la elevada vida media de los LEDs de las últimas generaciones, el notable incremento de su luminosidad y el mantenimiento de su reducido consumo, dando lugar a sistemas altamente eficaces energéticamente y de bajo coste de mantenimiento.

Su empleo en los sistemas de iluminación ha sido bastante limitado hasta la actualidad, dado que los niveles de iluminación necesarios son muy elevados y los requerimientos en cuanto a la “calidad visual” de la iluminación que produce cualquier fuente luminosa empleada para iluminación convencional, exige altas prestaciones en cuanto a:

  • Aspecto del color de dicha luz (temperatura de color de la fuente),
  • Índices de reproducibilidad cromática,
  • Posibilidad de control de los haces luminosos, y confort visual: reducción de deslumbramientos molestos directos e indirectos.

Todos estos aspectos quedan cubiertos, como se verá más adelante, por los LEDs de última generación: altas temperaturas de color, contribución de emisión luminosa de todo el espectro visible, y elevadas intensidades y posibilidad de agrupación e incorporación de elementos ópticos que permitan regular, direccionar y apantallar la iluminación según convenga para cada aplicación.

A todo ello se pueden añadir otras ventajas adicionales muy importantes: alta vida media (bajos costes de trabajos de mantenimiento y reposición), y reducido consumo energético (disminución en los costes de mantenimiento de las instalaciones e incluso posibilidad del empleo de baterías).

Características de los leds

Las características más importantes, desde el punto de vista de su aplicación a sistemas de iluminación, son:

Larga vida útil

Con relación a la vida, un LED puede funcionar durante un período de tiempo que oscila entre las 50.000 y las 100.000 horas, de modo similar a la lámpara de vapor de mercurio, puede emitir luz durante toda su vida, pero lo importante de su vida útil es la posibilidad de emitir el mayor flujo luminoso útil durante la mayor parte de tiempo. Como consecuencia las operaciones de mantenimiento y reemplazamiento se verán drásticamente reducidas, pues no serán prácticamente necesarias durante períodos superiores a 10 años.

Emisión luminosa

En cuanto a la emisión luminosa, los avances tecnológicos producidos en los últimos años en este tipo de dispositivos los sitúan en una posición privilegiada con respecto a las lámparas tradicionales.

Depreciación luminosa

La despreciable depreciación luminosa de los LED de alta luminosidad proporciona una alternativa de fuente de luz práctica que contrarresta los elevados costes de mantenimiento de las lámparas convencionales. Del mismo modo que este aspecto ha contribuido notablemente a la sustitución de las lámparas incandescentes en los semáforos y señales de tráfico, por este tipo de dispositivos, se espera que conduzca a la adopción de esta tecnología también en el mundo de la iluminación.

Calidad de luz

Con los últimos perfeccionamientos en los dispositivos LED de alta luminosidad se ha conseguido una excelente calidad de luz, tanto coloreada como blanca. Dicha luz está libre de UV (ultravioletas) e IR (infrarrojos). Los colores son muy saturados y casi monocromáticos. En general para obtener la luz blanca se utiliza, o bien la mezcla de dispositivos rojo, verde y azul, o bien un fósforo sobre un determinado color, generalmente sobre el azul. El rendimiento cromático y la eficacia luminosa han mejorado significativamente en los últimos tiempos.

Alumbrado urbano

En cuanto al aspecto de dinamicidad del futuro alumbrado urbano de nuestras ciudades, las características eléctricas de los LED permitirán una regulación total sin variación de color, un encendido instantáneo a todo color, un cambio dinámico de color.

Consideraciones especiales de diseño

Entre las características más aprovechables de los LED están su compacto tamaño, la naturaleza direccional de la luz, los elevados rendimientos de gestión térmica y los avances tecnológicos que permiten una creciente emisión luminosa, por lo que se ofrecen nuevas oportunidades para los diseñadores. Para una mejor comprensión de estas ventajas, a continuación se resumen los aspectos más interesantes para su utilización:

  • Ganancias en el flujo emitido.
  • Control de la luz.
  • Gestión térmica.

Además de los enormes incrementos de flujo luminoso que se han producido en los últimos meses, en los que se van reduciendo sus pérdidas térmicas, que han ido evolucionando desde un 80 % que suponían en un pasado no muy lejano, a una proporción muy inferior en nuestros días y con esperanzas de reducirlas enormemente en un futuro próximo.

La aparición de los LED de alta luminosidad ha modificado sustancialmente el nuevo diseño de las luminarias que incorporen estos dispositivos, que además se verán beneficiadas por la duración de un ciclo de vida de las luminarias de cinco a siete años sin

necesidad de hacer ninguna operación de mantenimiento sobre ellas. Al mismo tiempo, la direccionalidad de su emisión y su pequeño tamaño abren nuevas vías al desarrollo de sistemas ópticos con un elevadísimo control de la distribución luminosa, mejorando notablemente las eficiencias conjuntas de fuente de luz convencional y luminaria.

Aplicaciones en alumbrado exterior

En las aplicaciones de iluminación exterior, los aspectos más interesantes son:

  • Elevada duración de vida, con lo que las operaciones de mantenimiento se pueden distanciar en el tiempo o incluso eliminar con respecto a las de las lámparas convencionales. No hay que olvidar que mientras en los LED la vida supera las 50.000 horas, la mayor duración de vida de las lámparas convencionales es de 24.000 horas.
  • Poder para direccionar la luz gracias al pequeño tamaño de los dispositivos emisores de luz, como ya se ha explicado previamente, que da origen a conseguir iluminaciones semejantes a las aquí recogidas.
  • Reducido consumo energético (disminución en los costes de mantenimiento de las instalaciones e incluso posibilidad del empleo de baterías).
  • El ahorro energético producido por el uso de la tecnología LED es importante, como se puede apreciar en la siguiente tabla:
Tecnología incandescente vs. Led. Coste eléctrico estimado en 0,14 €/kWh. Fuente: EOI
Pot.Bombilla incandescenta a sustituir (W) Pot.LED (W) Ahorro energía (kWH) durante la vida útil LED (50.000h) Ahorro factura elétrica (€) Ahorro en emisiones C=2 (kg CO2)
40 9 1.550 186 1.162
60 11 2.450 294 1.837
75 15 3.000 360 2.250
100 20 4.000 480 3.000
150 32 5.900 708 4.425
Es evidente que con estas predicciones y realidades, debemos confiar en que el futuro, el uso de la tecnología LED en el alumbrado público será la opción predominante.


Legislación sobre eficiencia energética en alumbrado exterior

El Real Decreto de Eficiencia Energética en Alumbrado Exterior (01/04/09) es la norma a la que se deben atener los sistemas de alumbrado exterior. Se resumen a continuación los principales aspectos de dicha regulación:

  • Aplicable a nuevas instalaciones y a instalaciones existentes con modificaciones de importancia (> 50% de la potencia o luminarias instaladas) y ampliaciones.
  • Define una eficiencia energética mínima en función de la iluminancia ( a menos Em -> más Eficiencia)
  • Establece la calificación energética
  • Establece la reducción de flujo hasta el 50% del normal, sin menoscabo de la uniformidad, para instalaciones de > 5kW
  • Establece eficacias mínimas
    • 40 lum/W, para alumbrados de vigilancia y seguridad nocturna y de señales y anuncios Luminosos => elimina incandescentes
    • 65 lum/W para alumbrado de viales, específico y ornamental => elimina vapor de mercurio
  • Establece rendimientos y factores de utilización mínimos para luminarias y proyectores
  • Establece consumos máximos de los equipos auxiliares según los diferentes tipos de lámpara y potencias
  • Establece el sistema de encendido apagado en función de la potencia instalada
    • < 5 kW (lámparas + auxiliares): fotocélula
    • > 5 kW (l + a): reloj astronómico o sistema centralizado
  • Establece rendimientos y factores de utilización mínimos para luminarias y proyectores
  • Establece consumos máximos de los equipos auxiliares según los diferentes tipos de lámpara y potencias

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