PROTOCOLO ILUMINACIÓN LED AUTOSUSTENTABLE
1-INTRODUCCIÓN
El actual consumo de energía eléctrica en el mundo exige una demanda exorbitante en cuestión de producción de ésta, día a día todos utilizamos la energía eléctrica para realizar diversos procesos de nuestra vida.
Debido a esta demanda, la manera de producir energía eléctrica varía, pero la mayoría de estos procesos contaminan, y su materia prima ocasionalmente no es renovable, como es el caso del petróleo y el carbón mineral.
Las compañías queman el combustible fósil para producir energía eléctrica, todo esto representa un proceso grande para transformar la energía de un estado a otro, y el cual produce contaminación como resultado de la combustión, posteriormente esta energía se transmite por medio de un complejo sistema de red, el cual es muy costoso tanto en cuestión
de infraestructura como de eficiencia a la hora de transmitir la energía hacia los centros de distribución y utilización de la misma.
Todo esto representa un proceso algo complicado e ineficiente, y puede parecer algo arcaico, pero esta es la manera en que aun funcionan las ciudades del mundo. Frente a las ventajas y desventajas que se tiene al depender de una empresa que nos alimente de energía eléctrica, se han implementado diferentes procesos para cambiar el método de producción y de obtención de la materia prima, aquí es cuando sale a relucir las energía renovables.
Ahora bien, existe una gran fuente de energía renovable gratis para todos, la cual es la energía solar, este es el tipo de energía que aprovecharemos.
Lo que queremos desarrollar en este proyecto es la implementación de un sistema de iluminación LED autosustentable. Con la intensión de ser aprovechado en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, para dar el servicio de iluminación dentro de edificios, salones, salas, así como para su uso posterior en zonas abiertas.
Este proyecto consistirá en un sistema de paneles solares que captarán la energía solar y la convertirán en energía eléctrica, posteriormente se almacenará en baterías para de ahí dirigirla hacia nuestros Led´s que serán los que iluminarán las áreas.
ANTECEDENTES
Led
El primer led fue desarrollado en 1927 por Oleg Vladimírovich Lósev (1903-1942), sin embargo no se usó en la industria hasta los años sesenta. Solo se podían construir de color rojo, verde y amarillo con poca intensidad de luz y se limitaba su utilización a mandos a distancia (controles remotos) y electrodomésticos para marcar el encendido y apagado. A finales del siglo XX se inventaron los ledes ultravioletas y azules, lo que dio paso al desarrollo del led blanco, que es un led de luz azul con recubrimiento de fósforo que produce una luz amarilla, la mezcla del azul y el amarillo produce una luz blanquecina
denominada «luz de luna» consiguiendo alta luminosidad (7 lúmenes unidad) con lo cual se ha ampliado su utilización en sistemas de iluminación.
Un led (Light-Emitting Diode) es un diodo semiconductor que emite luz. Se usan como indicadores en muchos dispositivos, y cada vez con mucha más frecuencia, en iluminación. Cuando un led se encuentra en polarización directa, los electrones pueden recombinarse con los huecos en el dispositivo, liberando energía en forma de fotones.
Los led´s presentan muchas ventajas sobre las fuentes de luz incandescente y fluorescente, principalmente con un consumo de energía mucho menor, mayor tiempo de vida, tamaño más pequeño, gran durabilidad, resistencia a las vibraciones, no es frágil, reduce considerablemente la emisión de calor que produce el efecto invernadero en nuestro planeta, no contienen mercurio (el cual al exponerse en el medio ambiente es altamente venenoso) a comparación de la tecnología fluorescente o de inducción magnética que si contienen mercurio, no crean campos magnéticos altos como la tecnología de inducción magnética con los cuales se crea mayor radiación hacia el ser humano, reducen ruidos en las líneas eléctricas, son especiales para utilizarse con sistemas foto voltaicos (paneles solares) a comparación de cualquier otra tecnología actual, no les afecta el encendido intermitente (es decir pueden funcionar como luces estroboscópicas) y esto no reduce su vida promedio, son especiales para sistemas anti-explosión ya que no es fácil quebrar un diodo emisor de luz (led) y cuentan con una alta fiabilidad.
Celda Solar
El principio por el cual una celda fotoeléctrica es capaz de convertir la energía lumínica del Sol en energía eléctrica es el llamado Efecto Fotoeléctrico. Dicho efecto consiste en un fenómeno cuántico en el cual electrones son emitidos por un material después de haber absorbido energía proveniente desde una fuente de radiación electromagnética como luz visible o rayos x entre otros.
Los fotones de un rayo de luz tienen una energía característica determinada por su frecuencia. En el proceso de fotoemisión, si un electrón absorbe la energía de un fotón y éste último tiene más energía que su Función Trabajo φ, la cual corresponde a la energía mínima necesaria para mover un electrón de un sólido a un punto fuera de su superficie, el electrón es arrancado del material. Si la energía del fotón es demasiado baja, el electrón no puede escapar de la superficie del material. El aumentar la energía del rayo no cambia la energía de sus fotones constituyentes, sólo cambia el número de fotones. En consecuencia, la energía de los fotones emitidos no depende de la intensidad de la luz, sino de la energía de los fotones individuales.
Los electrones pueden absorber energía de los fotones cuando son irradiados, pero siguiendo un principio de "todo o nada". Toda la energía de un fotón debe ser absorbida y utilizada para liberar un electrón de un enlace atómico, o sino la energía es remitida. Si la energía del fotón es absorbida, una parte libera al electrón del átomo y el resto contribuye a la energía cinética del electrón como una partícula libre.
El efecto fotovoltaico se registró por primera vez por Edmund Bequerel en 1839 cuando apreció que la acción de la luz sobre un electrodo de platino recubierto de plata sumergido en electrolito producía una corriente eléctrica. Cuarenta años más tarde los primeros dispositivos fotovoltaicos de estado sólido fueron construidos por quienes investigaban la recientemente descubierta fotoconductividad del selenio.
En 1876 William Adams y Richard Day descubrieron que una fotocorriente podría ser producida en una muestra de selenio mientras se hiciera contacto con dos contactos de platino. La acción fotovoltaica del selenio difería de su acción fotoconductiva en que una corriente se producía espontáneamente por la acción de la luz. No se necesitaba de una fuente de poder externa. En este primer dispositivo fotovoltaico, una juntura rectificadora se había formado entre el semiconductor y el metal en contacto. En 1894, Charles Fritts preparó lo que probablemente fue la primera celda solar de gran superficie, al unir una capa de selenio entre una de oro y otra de metal. En los años siguientes, se observaron efectos fotovoltaicos en finas películas de cobre-óxido de cobre, sulfuro de plomo y sulfuro de talio.
Estas primeras celdas fueron dispositivos de barrera Schottky de película delgada, donde una capa semitransparente de metal depositada en la parte superior del semiconductor proporcionaba tanto la juntura electrónica asimétrica, como el acceso a la juntura de la luz incidente. El efecto fotovoltaico de estructuras como ésta fue relacionado con la existencia de una barrera para el flujo de la corriente en una de las interfaces metal-semiconductor por Goldman Brodsky en 1914.
Sin embargo, no fueron las propiedades fotovoltaicas de los materiales, como el selenio, lo que entusiasmó a los investigadores, sino la fotoconductividad. El hecho de que la corriente producida fuera proporcional a la intensidad de la luz incidente, y relacionada directamente con la longitud de onda en forma definitiva significó que los materiales fotoconductivos fueran ideales para medidores de luz fotográficos. El efecto fotovoltaico en estructuras tipo barrera fue un beneficio añadido, en el sentido de que el medidor de luz podía funcionar sin una fuente de alimentación. No fue hasta la década de 1950, con el desarrollo de obleas de silicio de buena calidad para aplicaciones en la nueva electrónica de estado sólido, que cantidades potencialmente útiles de potencia fueron producidas por dispositivos fotovoltaicos de silicio cristalino.
En la década de 1970 la crisis en el suministro de energía experimentada por el petróleo dependiente, el mundo occidental llevó a un repentino aumento del interés en las fuentes alternativas de energía, y a un mayor financiamiento para la investigación y el desarrollo en dichas zonas. El tema fotovoltaico fue un tema de interés durante este período, y una serie de estrategias para la producción de dispositivos fotovoltaicos y materiales más económicos, junto con la mejora de la eficiencia de los dispositivos fue explorada. Caminos hacia un menor costo incluyeron junturas foto-electroquímicas, y materiales alternativos como el silicio policristalino, silicio amorfo, otros tipos de "películas delgadas" y conductores orgánicos.
La combinación de estos dos elementos fundamentales, como son el led y el panel solar, recientemente ha tenido una gran importancia ya que los costos bajan y la eficiencia aumenta. Permitiendo aprovechar todos los avances tecnológicos, se puede aprovechar la energía solar y tener una eficiente utilización de la energía eléctrica, ya que el led se presenta como una solución para evitar la pérdida de energía por calor.
2-OBJETIVO
Nuestro fin es construir un sistema de iluminación con la ayuda de led´s, los cuales serán alimentados por la energía generada por celdas solares y que esta energía se almacenará en baterías.
Como primer paso, todo este proyecto servirá para demostrar que se puede construir dicho sistema de iluminación como evidencia para acreditar la materia de Proyecto IMTC 1.
Se pretende que todo el proyecto sea construido o armado por nosotros, los alumnos, y el principal objetivo es desarrollar todo el sistema para poder demostrar que se puede economizar y con poco dinero se pueda montar un sistema de iluminación totalmente amigable con la naturaleza.
La idea central es dejar de contaminar en la medida que sea y adoptar una posición más responsable con el ambiente, la energía que se capte procederá del sol, por eso esta energía será totalmente renovable.
Debemos empezar a ser mas independientes de la compañía que distribuye la energía en México, ya que si existe tecnología que nos permite esta evolución, pero que desafortunadamente no se explota como debería de ser. Sobre todo al ser una institución de educación superior la FIME-UANL, debemos empezar a adoptar una mentalidad mucho más racional hacia nuestros recursos energéticos.
Con lo anterior se resume que no estaremos conectados a la red de la CFE, por lo cual se evitará pagar por el servicio; toda la energía que se utilice provendrá del sol así que para producirla no se contaminará.
Se adquirirán celdas solares, LED´s, baterías, inversores de voltaje. Diseñaremos y construiremos un driver para alimentar a los LEDS. La topología que desarrollaremos será la de un convertidor reductor o (BUCK). El reto será diseñar un Buck Led Driver de Máxima Eficiencia.
3-EXPERIMENTO
Se adquirirá un panel solar de 120 W, de dimensiones estándar, el cual será colocado en un área en donde la radiación solar sea mayor, por lo regular este tipo de equipo es instalado en los techos de los edificios. El ángulo que se recomienda en la mayoría de los casos es de 15° hacia el sur.
Se conectarán cables del panel solar hacia nuestro controlador de carga, el cual es indispensable para regular la cantidad de voltaje y de corriente que se le introduzca a la batería. El panel y la batería no pueden ir directamente conectados, ya que se puede dañar esta última, debido a las variaciones de voltaje que nuestro panel solar pueda arrojar en las horas de producción de corriente eléctrica. De nuestro controlador de carga saldrán dos cables directo a la batería, para que la carga se dirigida hacia ésta.
Se conectarán cables del panel solar a una batería de 100A-H, esta batería se cargará durante el día, la cantidad de carga que consiga dependerá de la incidencia del sol sobre el panel solar. El tiempo que tarde en cargarse por completo, dependerá de la carga que previamente tenga y de la radicación solar; esto quiere decir que si solo se gastó o se consumió la mitad de la carga de la batería, entonces se necesita la mitad de tiempo que tardó en cargarse por completa en las mismas condiciones de radiación solar.
Nuestra batería será el lugar en donde se almacenará toda la corriente eléctrica que pueda convertir nuestro panel solar, entonces, necesitamos de esta necesariamente, ya que de tener solamente el panel no podremos trabajar con él, porque la cantidad de corriente será muy escaza. La batería permitirá consumir un mayor número de Amper por hora, en un tiempo determinado, esto es, cuando se encuentren encendidos todos los led´s al mismo tiempo.
Debido a que nuestro sistema funcionará a partir de celdas solares, el tipo de energía eléctrica que produce este tipo de modulo, es de directa, se procederá a transformarla a energía alterna, esto mediante un inversor de voltaje.
El inversor de voltaje se conectará a nuestro controlador y a partir de ahí se transformará a corriente alterna, el voltaje de salida y la potencia de salida dependerá del tipo de inversor de voltaje, para nuestro caso en particular un inversor de 400Watts, puede ser suficiente.
Ya en este punto, lo que sigue es nuestro sistema de iluminación led, que es la idea central de nuestro proyecto, éstos permitirán iluminar nuestras áreas. El sistema de led se construirá con apoyo de todos los alumnos de la clase de Proyecto IMTC 1; por lo cual esto es un punto en el que vamos a diseñar nuestra red de led´s, asi como también construirá un disipador de calor para los led´s.
El fin de todo nuestro proyecto, es poder construir un sistema de iluminación creado por los alumnos, y no solamente comprar lámparas de led´s previamente fabricadas y ensambladas. Es en este punto en donde trabajaremos en su mayoría, ya que diseñaremos un sistema de iluminación con el mayor rango de eficiencia posible que esté a nuestro alcance y dentro de nuestro límite presupuestario.
Modelo de sistema fotovoltaico-led’s.
Nuestro sistema luciría muy similar a la imagen superior, teniendo en cuenta todas sus particularidades.
4-RESULTADOS –COSTO-BENEFICIO—
Con todo lo anterior presentado, lo que esperamos es poder reducir los costos por concepto de pago de electricidad de la FIME, y destinar dichos recursos a alguna otra área con una necesidad más apremiante.
Se tiene esperado poder construir nuestras luminarias de led´s evitando así beneficiar a compañías particulares al momento no comprarle lámparas led´s. De este modo se alentaría a seguir fabricando o armando productos hechos dentro de la propia universidad para posteriormente ser autosuficientes en la cuestión de suministro eléctrico. Se dejaría de depender de una empresa paraestatal al menos en la cuestión de iluminación.
Se entiende que la recuperación de la inversión se daría en un lapso de tiempo relativamente pequeño, el cual puede abarcar de uno a dos años, dependiendo del tamaño del proyecto y de la utilización del mismo, hablando en términos que abarcaran cuatro o cinco sistemas similares a éste, ya que aquí se platea para solamente una iluminaria, pero que esta tiene un área de acción relativamente grande.
A continuación presento una tabla del monto económico del proyecto.
Producto Cantidad Precio
Celda solar 120W 1 $2000.00
Batería 100A-H 1 $1300.00
Controlador de carga 10ª-12VCD 1 $570.00
Inversor de Voltaje 400 Watts 1 $650.00
Iluminaria Led* 1 $1000.00
Total $5520.00
*Se engloba el material necesario para su fabricación.
Esta tabla representa el costo estimado por crear un sistema de iluminación, debemos entender que el costo puede estar un poco aumentado ya que en esta cotización la cantidad de productos fue unitaria, y por lo regular al adquirir o comprar una cantidad significativa los costos pueden reducirse.
El costo se compensa con el beneficio que se obtendrá ya que aunque aparenta ser algo elevado, al paso del tiempo se compensará, y se debe entender que se deja de contaminar al planeta, y se deja de pagar a una empresa. Se ponen a competencia los conocimientos y habilidades de los estudiantes al momento de hacer el análisis de construcción y a su vez de la manera en que se debe de proceder para encontrar los precios que mas nos beneficie.
5-DISCUSIÓN
El sistema en si es una buena manera tanto de solventar gatos por electrificación como para poner a prueba a nosotros como estudiantes en la cuestión de organización, ya que lo que aquí se presenta como costo del proyecto, es relativamente barato y no representa una gran inversión económica, pero esto es solo el comienzo, ya que al momento de poder diseñar al menos un sistema y que éste trabaje bien, se pueden desarrollar y mejorar poco a poco nuevos sistemas de iluminación.
Aquí nuestra única limitante inmediata sería nuestra batería, ya que ésta si podría presentar algún tipo de desgate o imperfección, ya que su vida útil promedio es de aproximadamente tres a cuatro años, también esta limitada la cantidad de cargas y de descargas que puede efectuar; a su vez, el proceso de fabricación también es dañino para la naturaleza, ya que son sustancias altamente venenosas o cancerígenas para los humanos; también su tratamiento una vez que a dejado de funcionar por completo, éstas se deben asignar a una zona bien establecida y que cumpla con los requerimientos necesarios para evitar en la mayor medida posible la contaminación del suelo o de algún otro recurso natural. Normalmente las empresas que producen las baterías se encargan del hacinamiento posterior a su vida útil o en su caso las reciclan para ser aprovechadas en algún otro proceso.
Los paneles o nuestro panel, tiene muchas ventajas, ya que no requiere de mucho mantenimiento, debido a que no tiene partes móviles o mecánicas, solo requiere que aproximadamente cada quince días se limpie, para evitar que se acumule polvo en su superficie y de esta manera evite su funcionamiento al cien por ciento.
6-CONCLUSIÓN
La incidencia de la luz solar en la zona de Nuevo León debido a su situación geográfica es muy positiva para este tipo de proyectos, ya que es un estado que por su naturaleza tiene una presencia de luz solar la mayor parte del año, lo cual es muy provechoso, pero debemos utilizar esta característica.
El proyecto pretende desarrollar un solo sistema de iluminación, pero se debe de entender que es sólo el inicio hacia una transformación de iluminación sustentable.
Por las evidencias en países en donde se utiliza sistemas fotovoltaicos para iluminación, se tiene estimado que funcionará muy eficientemente; ya ha sido implementado este tipo de modelo y ha demostrado muy pocas desventajas.
Un punto que cabe resaltar es que se estaría empleando intelecto de la universidad, ya que al momento de ser los alumnos los que fabricamos dichos productos, se estimularía a poder desarrollar e implementar otras tecnologías, todo a favor de la naturaleza; así mismo se estaría poniendo a prueba los conocimientos existentes en dichos alumnos.
Al realizar una vez este proyecto, la idea se puede reproducir hacia la población, pudiendo ser beneficiada por este tipo de proyectos ya que se pretende que sea lo mas económico posible pero a la vez eficiente.
Estaríamos hablando de una transición hacia un sistema totalmente renovable y saludable, ya que al utilizar la energía solar no contaminaríamos y no la agotamos, a diferencia de lo que sucede con los combustibles fósiles.
La FIME se distinguiría por ser una institución pública preocupada por el ambiente, y reflejando su preocupación al actuar de esta manera responsable.
Se estaría preparado para una situación de contingencia ya que al ser independiente de la red eléctrica comercial, podríamos seguir trabajando con nuestros propios sistemas eléctricos, esto como consecuencia de algún evento natural.
BIBLIOGRAFÍA
-Tesis: Sistema Fotovoltaico para Aplicaciones Móviles de Tracción Eléctrica.
Autor: Juan Pablo Andrés Castillo Miranda.
Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas.
-Física de la Energía Solar, Carlos Enrique López Campos, Universidad de Chapingo.
-American Solar Challenge – Home Page, http://americansolarchallenge.org/
-NASA – NASA Dryden Fact Sheet – Solar Power Research, http://www.nasa.gov/centers/dryden/news/FactSheets/FS-054-DFRC.html
