9. EVALUACIÓN SISTEMA FOTOVOLTAICO
9.1 Software PV solar
0
1 20
Tabla 16: Clasificación con relación a la protección mecánica contra choques de cuerpos solidos (Índice IK) Fuente: RETILAP
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6.4 Desarrollo del diseño
En la figura 13 se observa la zona deportiva real, en la figura 16 se muestran las dimensiones de la misma, para el desarrollo del diseño se hace una previa selección de la tecnología a usar en este caso se selecciona una tecnología tipo Led ya que esta tiene un conjunto óptico por luminaria a comparación de las luminarias de sodio utilizadas en el alumbrado público, las luminarias de sodio se deben cambiar con mayor periodicidad este factor incrementa los costos dado que no tienen un programa de mantenimiento, al seleccionar la tecnología Led se optimiza la vida útil de las lámparas y mejora los costos de mantenimiento,(Alexander and Gascón 2014) por ultimo al implementar esta tecnología se cumple con los parámetros y requisitos mínimos de iluminación y luminancia establecidos en el RETILAP, por estas razones se seleccionan las luminarias tipo Led. En las figuras 14 y 15 se podrá observar el conjunto óptico de una luminaria tipo Led.
Figura 13: Conjunto óptico de una luminaria Led Fuente: (Alexander and Gascón 2014)
Figura 14: Conjunto óptico y eléctrico de una luminaria led Fuente: (Alexander and Gascón 2014)
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6.5 Selección de luminaria
Para el diseño de iluminación se consultaron varios fabricantes de luminarias tipo Led para alumbrado público como Roy Alpha, Philips y Sylvania es importante resaltar que no es posible para un diseño de este tipo seleccionar una luminaria de exterior pues las luminarias de alumbrado público cuentan con un ensayo adicional a las anteriores conocido como IK índice de impacto. Se realizó una previa cotización para consultar precios de luminarias con potencias entre un rango de 70 W a 100 W como se muestra en la tabla No 16
Marca de la luminaria Descripción Valor unitario
Philips Led 72 W $ 650.000
Roy Alpha Led 72 W $ 790.000
Sylvania Led light 100 W $ 436.473
Tabla 17: Marcas de luminarias Fuente: Cotización
De acuerdo a lo anterior, por calidad, garantía y precio se selecciona el fabricante Sylvania para la realización del estudio en el software DIALux, para el diseño se mostraran tres propuestas con luminarias Led de potencias de 100W, 120W y un reflector de 100W de esta manera se pretende determinará cual luminaria se adapta mejor a las condiciones ambientales del lugar, cual ofrece mejor uniformidad mejor vida útil, considerando que los parámetros para su selección estén bajo los requerimientos exigidos en el reglamento técnico de iluminación y alumbrado público (RETILAP).
A continuación, se muestran las fotometrías de las luminarias seleccionadas para el estudio de iluminación
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Luminaria Fotometría
LED STREET LIGHT ZD216 100W NW V2
LED STREET LIGHT ZD216 120W NW V2
LED REFLECTOR JETA 100W DL
Tabla 18: Fotometría de las luminarias propuesta Fuente: Ficha técnica luminarias Sylvania
6.6 Selección del poste
Para la selección de los postes, se tiene en cuenta lo mencionado en la sección 560.3.3 Dispositivos de
soportes de los equipos de alumbrado de campos deportivos como el objeto de estudio es la zona
deportiva que consta únicamente de una cancha con las dimensiones expuestas en la figura 16, es de resaltar que la cancha es para fines netamente recreativos se simulan cuatro postes ubicados dos postes en disposiciones laterales de la cancha, la ubicación de los postes se realiza según criterios del diseñador.
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Sandra Gómez & Lorena Quintero 40 Figura 15: Cancha deportiva del barrio el Verbenal sur
Fuente: Elaboración propia
Se seleccionan los postes de material metálico con una altura de 9 metros brazo sencillo, los postes son tubulares con una carga de rotura de 150Kg y con un espesor de 3mm, esta altura representa buenas características de desempeño dando que la cancha no supera 390 metros cuadrados, estos postes son de larga durabilidad y calidad garantizando que cumplen con las condiciones ambientales de la zona. El valor de la carga de rotura del poste seleccionado se encuentra por debajo del valor que se muestra para la categoría de postes de 9 metros como se muestra la en la norma (Likinormas 2014)
Descripción Carga de
Rotura [Kg]
Deflexión máxima Carga Aplicada
[Kg] Deflexión máxima a 200mm de la cima [mm]
Poste metálico 9m. 280 187 630
Poste metálico 10 m. 252 168 700
Poste metálico 12 m. 280 187 840
Poste metálico 14 m. 312 208 980
Poste metálico 16 m. 358 239 1120
Tabla 19: Resistencia mecánica Fuente: (Likinormas 2014)
Según la norma ET2014, a los postes para alumbrado público a la hora de instalarlos se les debe hacer una base nivelada de concreto, estos postes deben ser fabricados en láminas de acero, estas láminas deben cumplir con características mecánicas mínimas de resistencia de tracción, elongación.
La ubicación de los postes, se realiza teniendo en cuenta las entradas a las viviendas que están cerca de la zona deportiva, actualmente cerca no hay parqueaderos, ni garajes es por ellos que se diseñan con dos postes en las disposiciones laterales de la cancha.
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6.7 Fotoceldas para alumbrado
La fotocelda es primordial para esta propuesta de alumbrado público, dado que este es el controlador de encendido y apagado de cada luminaria, este elemento es sensible a la presencia de luz, cada luminaria debe tener su propia fotocelda, las fotoceldas irán colocadas encima de la luminaria para que de esta manera capte los haces de luz. Por lo general en el mercado se encuentran fotoceldas diseñadas con una tensión de entrada que esta entre 100 a 305 voltios. (Alexander and Gascón 2014)
La fotocelda al igual que la luminaria se encuentran expuestas al ambiente, la fotocelda debe cumplir con un índice de protección de polvo y agua mayor a 54 (IP>54). En Colombia las fotoceldas por tema de seguridad se usan tipo fail on, esto quiere decir que son diseñadas para mantener encendida la luminaria en caso de una posible falla de la fotocelda. (Alexander and Gascón 2014)
De acuerdo a lo expuesto anteriormente se selecciona una fotocelda con una tensión de operación que esta entre 105 a 305 voltios de operación, con un grado IP de 65 con una carga máxima de 1000W
Figura 16: Dimensiones de la Fotocelda seleccionada Fuente: Ficha técnica fotocelda
6.8 Software para el diseño
El diseño de iluminación se realizó con el software DIALux 4.13, este software permite simular la iluminación de la zona de estudio, DIALux 4.13 arroja resultados fotométricos del entorno, se verifica según la sección 520.2 Uso de software en el diseño fotométrico de alumbrado público, que este software cumple con los requerimientos técnicos necesarios para la elaboración del diseño permitiendo la previa evaluación de los parámetros como: luminancia media, uniformidad, iluminancia media y mínima, Fe (Factor de mantenimiento), establecidos en el reglamento (MINMINAS 2010)
6.9 Características de las luminarias
En la tabla 20 se puede observar algunas características ópticas, físicas y datos eléctricos tomadas de las fichas técnicas suministradas por el fabricante
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Sandra Gómez & Lorena Quintero 42 CARACTERISTICAS DE LAS LUMINARIAS
LED STREET LIGHT ZD216 100W
NW V2
Datos ópticos Flujo luminoso 1300 lm
Vida útil 100000 h *
Eficacia 130 lm/W
Temperatura del color 4000K (NW) Datos físicos Grado de protección IP -
IK IP65 / IK08
Dimensiones (WxLxH) 430x290x84
mm
Tipo de montaje Brazo
horizontal Datos eléctricos Potencia de entrada 100 W
Tensión de operación 100-240V 50/60Hz Corriente de entrada 0.48 A @ 220 V Factor de potencia 0.95 LED STREET LIGHT ZD216 120W NW V2
Datos ópticos Flujo luminoso 15600 lm
Vida útil 100000 h *
Eficacia 130 lm/W
Temperatura del color 4000K (NW) Datos físicos Grado de protección IP -
IK IP65 / IK08
Dimensiones (WxLxH) 430x290x84
mm
Tipo de montaje Brazo
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Sandra Gómez & Lorena Quintero 43 Datos eléctricos Potencia de entrada 120 W
Tensión de operación 100-240V 50/60Hz Corriente de entrada 0.57 A @ 220 V Factor de potencia 0.95 LED REFLECTOR JETA 100W DL
Datos ópticos Flujo luminoso 8500 lm
Vida útil 30000 h L70
Eficacia 85 lm/W
Temperatura del color 6500 K (DL) Datos físicos Grado de protección IP -
IK IP65
Dimensiones (WxLxH) 277x321x38
mm
Tipo de montaje Sobreponer
Datos eléctricos Potencia de entrada 100 W Tensión de operación 100-240 V
50/60 Hz
Corriente de entrada 0.455 A @
220 V Factor de potencia >0.90
Tabla 20: Características de luminarias marca Sylvania Fuente: Elaboración propia
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7. RESULTADOS
Es de resaltar que los diseños de alumbrado público siempre deben tener presente la aplicación de los conceptos de uso racional y eficiente de energía; en esta sección se encuentra los resultados de las tres simulaciones, en la figura 18 y 19 se puede observar el esquema general de la cancha con la vista frontal y lateral de la simulación en DIALux de las cuatro luminarias con los respectivos puntos físicos de 9 metros cada uno, en la simulación las luminarias se instalan con diez grados de inclinación para las tres propuestas, la separación entre puntos físicos es de 13 metros, la separación entre la cancha y donde se instalan los puntos físicos es de 0.5 metros. Como se mencionaba anteriormente para la simulación se requiere de las fichas técnicas para tomar datos como medidas de la luminaria, potencia, vida útil.
El sistema fotovoltaico para alumbrado público que se plantea en este proyecto consiste en que cada luminaria tenga su respectiva batería, controlador, inversor y fotocelda.
7.1 Vista frontal y lateral de la cancha simulada
Figura 17: Vista frontal Fuente: Simulación DIALux
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Sandra Gómez & Lorena Quintero 45 Figura 18: Vista lateral del diseño para la cancha
Fuente: Simulación DIALux
Es importante al simular corroborar en el software el mismo grado de inclinación para todas las luminarias ya que este parámetro afecta los resultados de uniformidad promedio, máxima y mínima que arroja DIALux.
7.2 Led street light zd216 100w nw v2
Al simular con las cuatro luminarias de 100 W obtenemos el siguiente gráfico de luxes con una trama de 13 x 7 puntos, en el que se puede observar que en la zona central de la cancha se ilumina con más intensidad encontrando valores de 𝐸𝑚𝑎𝑥 = 68 luxes mientras que en los puntos extremos de la cancha el 𝐸𝑚𝑖𝑛 = 30 luxes en el grafico con la gama de colores se puede observar que con estas luminarias no se presentan muchos puntos oscuros en la ilustración se ve el tono naranja que es el que presenta poca iluminación, es decir la cancha no presenta tantos puntos sin iluminación.
Resultados
Luminaria Em [lx] Emin [lx] Emax [lx] Emin/Em Emin/Emax [%]
Led de 100W 54 30 68 0,56 44
Tabla 21: Resultados luminaria a 100 W Fuente:RETILAP
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Sandra Gómez & Lorena Quintero 46 Figura 19: Iluminación de la cancha a 100 w
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7.3 Led street light zd216 120w nw v2
Al simular con las luminarias de 120 W obtenemos el siguiente gráfico de luxes con una trama de 13
x 7 puntos, en el que se puede observar que en la zona central de la cancha se ilumina con más intensidad encontrando valores de 𝐸𝑚𝑎𝑥 = 80 luxes mientras que en los puntos extremos de la cancha el 𝐸𝑚𝑖𝑛 = 40 luxes es decir en esta zona la iluminación no alcanza a llegar con la misma intensidad lumínica.
Según las figuras 19 y 29 se puede observar como zona iluminada en color verde no tiene la misma intensidad a comparación de la luminaria de 100 w la de la presente simulación no abarca suficiente área dejando en sombra los alrededores o extremos de la cancha. Del software tenemos los siguientes datos arrojados como resultado de la simulación para luminarias de 120 w:
Resultados
Luminaria Em [lx] Emin [lx] Emax [lx] Emin/Em Emin/Emax [%]
Led de 120W 64 40 80 0,63 50
Tabla 22: Resultados luminaria a 120 W
Se puede corroborar de acuerdo a la tabla 510.3 b. Fotometría mínima en áreas críticas distintas a
vías vehiculares, el valor de luminancia promedio sobrepasa en 14 luxes al que se indica en la tabla y
la uniformidad se cumple siendo para este caso mayor de 50% entre más cercano al 40% es mejor por norma.
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Sandra Gómez & Lorena Quintero 48 Figura 21: Iluminación de la cancha a 120 w
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7.4 Led reflector jeta 100w dl
Al simular con los reflectores de 100 W obtenemos el siguiente gráfico de luxes con una trama de 13 x 7 puntos, en el que se puede observar que en la zona central de la cancha se ilumina con más intensidad encontrando valores de 𝐸𝑚𝑎𝑥 = 80 luxes mientras que en los puntos extremos de la cancha el 𝐸𝑚𝑖𝑛 = 40 luxes es decir en esta zona la iluminación no alcanza a llegar con la misma intensidad lumínica.
Para el caso del reflector tenemos que a comparación de las anteriores simulaciones con las luminarias de 100 w y 120 w respectivamente, este no ilumina de la misma manera como se puede observar en la ilustración de tramas y en la ilustración gama de colores se observa que el máximo valor de iluminación es de 32 luxes además solo se ilumina una pequeña parte al lado de los apoyos donde que es donde se encuentran las luminarias, aun usando la misma potencia de 100 w.
Resultados
Luminaria Em [lx] Emin [lx] Emax [lx] Emin/Em Emin/Emax [%]
Reflector de 100W 27 17 32 0,66 55
Tabla 23: Resultados reflector a 100 W
Por ultimo con los datos suministrados por DIALux al hacer el análisis sobre el reflector de 100 W se puede observar que no cumple con la 𝐸𝑝𝑟𝑜𝑚 esta tienen un valor de 27, este valor está por debajo de lo que indica la tabla 510.3 b. Fotometría mínima en áreas críticas distintas a vías vehiculares.
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Figura 23: Iluminación de la cancha con reflector de 100 W
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Sandra Gómez & Lorena Quintero 51 De acuerdo a los resultados de las simulaciones anteriores se puede observar que la propuesta No 1 con la luminaria de 100W cumple con los valores fotométricos de iluminancia promedio de 54 luxes para una clasificación para canchas múltiples recreativas y teniendo una uniformidad mayor al 40% siendo esta de 44% como se puede observar en la tabla No 18 de resultados, los valores a comparar se encuentran en la tabla 510.3.b fotometría mínima en áreas críticas distintas a vías vehiculares.
Al comparar la propuesta No 1 con las demás propuestas como la luminaria de 120W y el reflector
de 100W se observa que aunque la luminaria de 120W cumple con una uniformidad mayor al 40% presenta una iluminancia muy por encima del valor estimado que es 50 de igual forma pasa con el reflector esta luminaria presenta un valor por debajo del promedio con un valor de 27 luxes es así como se descartan y se selecciona la luminaria de 100W.
Resultados
Luminaria Em [lx] Emin
[lx] Emax [lx] Emin/Em Emin/Emax [%]
Led de 100W 54 30 68 0,56 44
Led de 120W 64 40 80 0,63 50
Reflector de 100W 27 17 32 0,66 55
Tabla 24: Resultado de uniformidad e iluminancia promedio de las tres propuestas Para calcular el factor de mantenimiento se utiliza la ecuación (3) según el reglamento:
𝐹𝑀 = 𝐹𝐸× 𝐷𝐵𝐿 × 𝐹𝐵 (3)
1. Se toma un factor de ensuciamiento igual a 0,95 tomado de la tabla 5: 580.2.3 e. Factores de
ensuciamiento de las luminarias, según el nivel de polución, índice de hermeticidad y el período de limpieza utilizado teniendo en cuenta que se selecciona la luminaria con un
conjunto óptico completamente sellado.
2. El factor de balasto para este parámetro se toma un valor de uno dado que la tecnología de la luminaria escogida es led a esta tecnología le corresponde un balasto tipo driver con factor uno.
3. De acuerdo al literal f) Factor de reemplazo de bombillas (R) de la sección 580.2.3 Cálculo del
factor de mantenimiento, se tiene que el factor de reemplazo de la bombilla estará
determinado por la vida útil (70% del flujo luminoso) la ficha técnica de la luminaria indica que la referencia LED STREET LIGHT ZD216, P27808 tiene una vida útil LED L70 LM80 para esta luminaria, esto quiere decir que en el proceso de verificación LM – 80 garantiza que se mantendrá como mínimo el 80% de su luminosidad tras 50.000 horas de uso. De acuerdo con lo anterior tenemos que cumple con el 70% estipulado en el reglamento.
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Sandra Gómez & Lorena Quintero 52 4. De las características de la luminaria tenemos que el flujo luminoso es de: 13000 lm
13000 𝑙𝑚 → 100% 𝑥 ← 70% 𝑥 = 9100𝑙𝑚
Se realiza el anterior cálculo en el que se determina el flujo luminoso para cuando la luminaria tiene un 70% de su luminosidad. De acuerdo con lo mencionado, en la norma dejamos caer un 30% el flujo luminoso, de esta manera ampliamos el periodo de cambio de las luminarias.
𝐹𝑀 = 0,95 × 0,70 × 1
𝐹𝑀 = 0,7
Para encontrar el factor de reemplazo de las luminarias (R) tenemos según la ficha técnica que la vida útil es de 100.000 horas, según el reglamento se debe tener en cuenta el 70% ya que las luminarias terminan su vida útil antes de lo esperado, realizamos el cálculo para determinar las horas en las que debería de cambiar estas luminarias.
Dentro de las condiciones establecidas en el presente proyecto se considera realizar anualmente una limpieza a las luminarias y a todo el conjunto óptico.
100.000 ℎ → 100% 𝑥 ← 70% 𝑥 = 70.000 ℎ
Tenemos que el cambio de las luminarias se debe hacer cuando esta cumpla con las 30.000 horas de uso. Antes de realizar la operación de limpieza, se debe comprobar la desconexión previa al suministro eléctrico del circuito completo al que pertenezca, después se procederá a limpiar la suciedad y residuos de polución preferiblemente en seco, utilizando esponjas que no rayen la superficie. En seguida se calcula el uso anual de iluminación de la luminaria
𝑈𝑎 = 12ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 × 7 𝑑ì𝑎𝑠 × 4 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠 × 12 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 (4)
𝑈𝑎 = 4032
𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟𝑖𝑎 = 30.000
4032 𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟𝑖𝑎 = 7 𝑎ñ𝑜𝑠
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Sandra Gómez & Lorena Quintero 53 Se estima que alrededor de unos 7 años se tendrá que hacer el cambio de la luminaria en la zona deportiva.
8. DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO
Para el dimensionamiento del sistema fotovoltaico, es indispensable conocer el valor de la carga que se conectara, es decir conocer la potencia requerida por las cargas a alimentar y por supuesto cuantas horas de demanda diaria requerirá.
8.1 Consumo energético diario
Para el caso de estudio y dado que la carga es netamente para alumbrado público, se estima una intensidad de 12 horas por día de uso, que va de 6pm a 6am
Equipo Potencia [W] Cantidad Horas/día Energía [KWh/día]
Luminarias 100 4 12 0,8
Tabla 25: Energía al día caso de estudio Fuente: Elaboración propia
Según el consumo de las luminarias se tiene la energía en el día, pero es necesario conocer el rendimiento energético del sistema fotovoltaico teniendo en cuenta un factor de seguridad del 20% recomendado en el documento (Molina, Fabián y Forero 2016) se le debe ajustar un factor de pérdidas para obtener la energía real en el día, como se muestra a continuación: