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Análisis comparativo de parámetros generales entre las lámparas de alumbrado público




Partes: 1, 2, 3

  1. Glosario
  2. Resumen
  3. Introducción
  4. Planteamiento básico, fundamentación y definición de parámetros del proyecto
  5. Fundamentos del alumbrado público
  6. Impactos de la implementación de una u otra tecnología
  7. Conclusiones
  8. Recomendaciones
  9. Bibliografía
  10. Anexos

Glosario

LÚMEN: Es la unidad del Sistema Internacional de Medidas para medir el flujo luminoso, una medida de la potencia luminosa percibida. El flujo luminoso se diferencia del flujo radiante (la medida de la potencia luminosa total emitida) en que el primero se ajusta teniendo en cuenta la sensibilidad variable del ojo humano a las diferentes longitudes de onda de la luz.

LUX: Se conoce también como LÚMEX. Es la unidad derivada del Sistema Internacional de Unidades para la iluminancia o nivel de iluminación. Equivale a un lumen /m². Se usa en fotometría como medida de la intensidad luminosa, tomando en cuenta las diferentes longitudes de onda según la función de luminosidad, un modelo estándar de la sensibilidad a la luz del ojo humano.

LUXÓMETRO: Dispositivo que se encarga de medir la densidad luminosa por área y que es calibrado de acuerdo a las normas técnicas de cada territorio. En Colombia va en la escala de 20.000 lúmex.

NORMAS ISO: Las normas ISO surgen para armonizar la gran cantidad de normas sobre gestión de calidad que estaban apareciendo en distintos países del mundo. Los organismos de normalización de cada país producen normas que resultan de consenso entre representantes del estado y de la industria. De la misma manera las normas ISO surgen del consenso entre representantes de los distintos países integrados a la I.S.O. Existen dos grandes familias de normas ISO: Las de la familia 9000 y las de la familia 14000 además de otras complementarias (ISO 8402; ISO 10011).

PROUREE: Programa de Uso Racional y Eficiente de Energía, conjunto de normas contenidas en el decreto 3450 de 2008 y que tienden a un aprovechamiento óptimo de la energía y un uso racional de la misma.

RETILAP: Es el Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público y contiene todas las especificaciones técnicas que deben cumplir los diferentes tipos de luminarias en el territorio colombiano para ser certificadas. Se tuvo como base el anterior RETIE (Reglamento Técnico Eléctrico) y se complementa con las Normas Técnicas Colombianas (NTC).

Resumen

Se realizará un estudio y análisis comparativo de los diferentes parámetros involucrados en la reglamentación y certificación de las lámparas de alumbrado público de vapor de sodio y de tecnología LED en la ciudad de Ibagué, teniendo en cuenta la reglamentación que a este respecto rige en la actualidad en Colombia. Estará dirigido a todos los entes involucrados en la prestación del servicio de alumbrado público, a los generadores de energía eléctrica, a las empresas que proveen servicios y elementos involucrados en la prestación del servicio en todos los niveles y a la academia que está siempre pendiente de la mejora de las condiciones del entorno en que desarrollan sus procesos. El estudio llegará hasta el punto de brindar toda la información teórica que pueda ofrecer las herramientas básicas necesarias para implementar una nueva tecnología de iluminación de alumbrado público o continuar con la tecnología con la que actualmente se cuenta en la ciudad.

Este análisis se llevará a cabo mediante el uso de contrastación de datos obtenidos mediante mediciones experimentales en el terreno, obtención de imágenes de las lámparas de las tecnologías en estudio, comparación de las tablas de características técnicas de cada lámpara, mediciones de consumo y trazado de curvas de iluminación. Se usarán además herramientas matemáticas y financieras que brinden los indicadores necesarios para poder tomar una decisión de tipo económico a la hora de escoger entre una de las dos tecnologías. Entre estas herramientas matemáticas estarán todos los datos de costos, mantenimientos, instalación y duración de cada una de las lámparas.

Palabras Clave: RETILAP, NTC, lúmex, luxómetro, luminancia, inferencia estadística, PROUREE.

ABSTRACT

A study and comparative analysis of the different parameters involved in the regulation and certification of the lamps for public lighting of sodium vapor and LED technology in the city of Ibagué will be made, taking into account the regulations and laws that rule in Colombia at present. This study will be directed to all entities involved in the provision of the service of public lighting, generators of electricity, the companies that provide services and elements involved in the provision of the service at all levels and the Academy which is always pending the improvement of the conditions of the environment in which develop their processes. The study will go to the point of providing theoretical information that can give the basic tools necessary to implement a new technology of illumination of street lighting or continue with the technology that is currently in the city.

This analysis is carried out through using contrasting of data obtained through experimental measurements in the field, images of the lamps of the technologies in study, comparison of the technical characteristics of each lamp tables, measurements of consumption and plotting of curves of lighting. Also mathematics and financial tools to provide the indicators required for a decision of economic choice to use one of the two technologies. These mathematical tools will include all data costs, maintenance, installation and duration of each of the lamps.

Keywords: RETILAP, NTC, lumex, luxometer, luminance, statistical inference, PROUREE.

Introducción

El análisis de y contrastación de diversas tecnologías, métodos, sistemas y demás elementos de cualquier sector o ámbito, es un proceso que se debe llevar a cabo necesariamente para conocer las diferentes condiciones y variables que son características de cada uno de los objetos en estudio y nos permite, a través de la obtención sistemática de información, tener una información clara que facilite la toma de una decisión en cuanto la escogencia de uno u otro de los objetos estudiados.

Así, pues, la idea de realizar un análisis comparativo de las variables involucradas en el alumbrado público entre las lámparas de vapor de sodio y las de tecnología LED, debe estar orientada a una población y lugar específico, se debe tener pleno conocimiento de los antecedentes de cada una de las tecnologías, del estado actual del alumbrado público en la ciudad, conocer todos los aspectos involucrados a la hora de escoger un tipo específico de lámpara, tener en cuenta las reglamentaciones vigentes, los parámetros que las rigen, las variables que afectan su rendimiento y tener plenamente identificada la demanda y la oferta de los productos para que, basados en estos datos, se puedan establecer proyecciones y así dirigirse hacia un objetivo claro para cumplir con las expectativas.

Basados en lo anterior, se espera entonces realizar un análisis tal que permita delimitar los alcances del proyecto y obtener una idea clara del tipo de tecnología que presenta mayores ventajas a la hora de ser elegida y que sea la que ofrezca menores costos y mejor rendimiento energético y de calidad.

Planteamiento básico, fundamentación y definición de parámetros del proyecto

Es de fundamental importancia llevar a cabo un análisis de los diferentes parámetros que se encuentran involucrados en la prestación del servicio público de alumbrado en las dos principales tecnologías, vapor de sodio y LED, para poder tener herramientas suficientes que permitan hacer una escogencia objetiva con datos sustentables de cuál de estas dos le conviene más al municipio y a los usuarios finales tanto en el aspecto económico como en los aspectos ambiental, de cumplimiento de las normas de calidad, cobertura y de rendimiento.

Además, aunque se tienen una nueva normatividad y reglamentación en cuanto a lo que tiene que ver con la calidad de la iluminación, el consumo por lámpara, el uso de la energía, los costos por kilovatio y demás ítems, no se ha llevado a cabo aún estudios ni análisis juiciosos en la ciudad que muestren si las actuales lámparas cumplen con estas condiciones o es necesario realizar un cambio de tecnología que se adapten a estas.

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En Colombia a partir de la sanción de nuevas leyes y normas que rigen la iluminación interior, exterior y el alumbrado público emitidas por el Ministerio de Minas y Energía, la Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios (SSPD) [1] y otras dependencias que tienen que ver con normas técnicas y con la energía, se ha venido notando la necesidad de adelantar diferentes estudios que permitan hacer un análisis comparativo entre las lámparas y lámparas para alumbrado público actualmente en uso en las ciudades colombianas, entre ellas Ibagué, y las lámparas tipo LED que han venido incursionando masivamente en los últimos años en el mercado. El estudio es necesario debido a que principalmente se nota un esfuerzo de parte del estado para hacer un uso eficiente de la energía, disminuir costos de alumbrado público, mejorar niveles de luminosidad, entre otros. De acuerdo con lo que ofrece la nueva tecnología LED sobre el papel en mejoras sobre la tecnología actual de bombillas para alumbrado público (principalmente vapor de sodio de alta presión), esta es más eficiente, económica y limpia en todos los sentidos, pero aún no se ha realizado un estudio paramétrico serio de estas ventajas teóricas.

Por lo anterior, es necesario hacer un estudio de parámetros principales para poder hacer un análisis comparativo entre estas dos tecnologías y de allí poder extraer una conclusión clara acerca de las ventajas y desventajas de cada una de ellas y sobre cuál de las dos podría, en un futuro próximo, constituirse como la mejor opción para la ciudad. Los principales parámetros a medir serían:

CONSUMO DE ENERGÍA. Es uno de los principales ítems en lo que respecta al uso racional y eficiente de la energía, planteado en los últimos documentos nacionales. Tiene que ver con cuánto consume cada una de las lámparas de las diferentes tecnologías en kilovatios-hora (KWh). Para poder determinar el consumo promedio de las lámparas de vapor de sodio se cuenta con los datos obtenidos por INFIBAGUE [2] que es la institución que presta el servicio de alumbrado público en Ibagué y los datos de placa de las lámparas. En lo que tiene que ver con las nuevas lámparas de tecnología LED, se le ubica un medidor de energía eléctrica y se toman los datos directamente de la luminaria.

NIVEL DE LUMINOSIDAD. Se da en LÚMEX ó LUXES y es el nivel de LÚMENES en un área determinada, generalmente por metro cuadrado. Este parámetro tiene que ver con la sensación de luz o perfilado de objetos en el área afectada directamente por una luminaria justo debajo de ella y en el cono de luz que afecta de forma radial. Este parámetro es medible mediante un aparato denominado luxómetro y los niveles permitidos por ley vienen dados en el documento denominado RETILAP [3] sancionado el 30 de marzo de 2010 y de obligatoria aplicación en la actualidad. En este documento se indican los niveles luxométricos dependiendo de la utilización por objeto, altura de la luminaria y otros usos.

COSTO DE USO. Es el costo de uso sólo por alumbrado y viene ligado con el consumo de energía y se obtiene mediante una ecuación financiera y los datos obtenidos directamente de INFIBAGUE que es la institución que presta el servicio de alumbrado público en la ciudad de Ibagué. Estos costos se proyectan a un año y se tienen en cuenta para un costo de kilovatio-hora de estrato 3 y lámparas de 70W que son las más comunes en la ciudad.

CALIDAD DE ILUMINACIÓN. En este ítem se medirá la calidad de la luz emitida por cada una de las lámparas y los parámetros a tener en cuenta son: perfilación de objetos, definición de colores y formas, golpe de vista subjetivo (impresión al ojo) y cumplimiento con niveles del RETILAP. Para medir estos parámetros se contará con una cámara digital de buena resolución que permita tomar fotos y videos de las lámparas tanto de vapor de sodio como LED y con encuestas de nivel de calidad aplicadas a personas sin conocimiento del estudio.

NIVEL DE INSECTOS. Es medida simplemente por la cantidad de insectos que se presentan alrededor de cada luminaria y se mide por número de insectos muertos en la carcasa de cada una de ellas y por toma de fotos de la aureola de las lámparas para determinación de insectos vivos.

DARK SKIES (Cielos oscuros). Es un parámetro contemplado en el RETILAP y tiene que ver con la polución lumínica hacia el cielo y hacia atrás que es perjudicial para la navegación aérea y para los clientes residenciales a los cuales finalmente llega en sus habitaciones de residencia y perturba en el descanso nocturno. Además, esto también significa un consumo de potencia que no está siendo utilizada en el objetivo final de iluminación sobre calle. Para medirlo se hace teniendo en cuenta las curvas ISOLUX [4] de las lámparas usadas, tomando fotos contrastadas desde varios puntos de las lámparas y tomando niveles de luxes detrás y arriba de la lámpara.

COSTOS/FRECUENCIA DE MANTENIMIENTO. Se tiene en cuenta como la cantidad y calidad de mantenimiento y soporte técnico necesita cada luminaria durante un periodo determinado de tiempo. Los datos se obtienen de datos oficiales de INFIBAGUE y de mediciones in situ de necesidades de las lámparas.

COSTOS DE INSTALACIÓN. Están dados por todos los costos que implica la instalación de cada una de las lámparas sin tener en cuenta: postes, carcasas, varillas, cintas band-it, fotoceldas. Se tendrá en cuenta el costo de la lámpara el balasto, el iniciador, el transformador en el caso de las de vapor de sodio y de la tarjeta y la fuente en caso de las de LED.

VIDA ÚTIL. Este ítem es uno de los más relativos pues la mayoría de los datos depende de estadísticas previas ofrecidas por INFIBAGUE y otras dadas por los fabricantes de cada una de las lámparas. Se hará más objetivo en gran medida teniendo en cuenta estudios de doctorado hechos sobre LED en E.E.U.U. y datos de placa de los componentes de cada una de las lámparas.

EFICIENCIA ENERGÉTICA. Es la proporción entre el nivel de lúmenes proporcionado por una lámpara y su consumo en vatios. Este parámetro se obtiene de las mediciones anteriores y se compara con las curvas ISOLUX proporcionadas por el fabricante y luego entre las de cada tecnología para definir cuál es más eficiente.

1.2 OBJETIVOS

General:

  • Realizar el estudio, análisis y la comparación entre las lámparas de alumbrado público de vapor de sodio y sus equivalentes de tecnología LED teniendo en cuenta la normatividad vigente en Colombia.

Específicos:

  • Recolectar y suministrar toda la información pertinente y detallada sobre las lámparas de vapor de sodio y las de tecnología LED.

  • Verificar el cumplimiento de los niveles de iluminación de acuerdo a lo ordenado por el RETILAP y el NTC900 [5] mediante mediciones experimentales.

  • Analizar la calidad de iluminación y describir la trayectoria de eficiencia energética de cada una de las dos tecnologías y establecer cuál de las dos ofrece mejores condiciones para el uso diario.

  • Medir el consumo de energía eléctrica de cada una de las dos tecnologías y concluir si cumplen con las normas del Programa de Uso Racional y Eficiente de Energía (PROUREE) contenidas en el decreto 3450 de 2008. [6]

  • Analizar los costos de instalación, mantenimiento, uso diario y componentes de cada una de las tecnologías en estudio concluyendo cuál es menos costosa en el tiempo.

  • Evaluar los aspectos técnicos, económicos, ambientales y tecnológicos de cada uno de los tipos de iluminación.

1.3 ALCANCE

El proyecto se dirigirá al estudio, análisis y comparación de las lámparas de alumbrado público de vapor de sodio de 70W y de tecnología LED equivalentes de 30W, mediante el estudio de algunas lámparas de cada tecnología elegidas en el sector de Villa Teresa en la calle 37 con 6ª en la ciudad de Ibagué y haciendo una extrapolación para las demás lámparas del mismo tipo en la ciudad. El estudio financiero global y de costos se hará mediante el uso de los datos de INFIBAGUE que es la institución encargada de la prestación del servicio de alumbrado público en la ciudad y estos tienen que ver con el número total de lámparas, costo del kilovatio y tipo de tecnología. El proyecto llegará hasta la entrega del estudio de análisis comparativo entre las dos tecnologías en la ciudad de Ibagué en un documento escrito con respaldo magnético y en la entrega de todos los anexos de soporte que se hagan durante su implementación de la misma manera. En estos anexos se pondrán además los videos, fotos y planos necesarios. El documento final permitirá tanto a INFIBAGUE como a empresas privadas contar con un análisis serio sobre la factibilidad de implementar una u otra tecnología de acuerdo con los parámetros que consideren más importantes cualquiera de ellos.

1.4 MARCO DE REFERENCIA

El uso del alumbrado público de manera intensiva empezó como necesidad primordial a partir del siglo XIX y comenzó a implementarse en Londres mediante lámparas de gas y, allí mismo, se empezó a considerar como un servicio público que ayudaba en la seguridad ciudadana y en la prevención de los crímenes que se sucedían preferentemente en las noches. [7]

En Colombia la prestación del servicio de energía eléctrica y en especial el uso del alumbrado público se inició hacia finales del siglo XIX en las calles de la ciudad de Bogotá mediante la disposición de al menos cien lámparas que fueron la sensación en su momento ya que la energía eléctrica no se conocía sino como un fenómeno de ferias.

La entrada inicial del sistema de energía eléctrica y de alumbrado se debió al capital privado. Inversionistas privados que trajeron esta tecnología de punta, en su momento, fueron los creadores de las primeras empresas generadoras, distribuidoras y de venta de energía en el país y con la instalación al principio en las calles de Bogotá, buscaban darle el máximo de publicidad posible al nuevo sistema y con ellos generar una gran expectativa y crear un gran mercado nacional.

Posterior a la introducción del alumbrado público, se pasó al alumbrado comercial y por último al alumbrado residencial en las capas más altas de la sociedad capitalina. Tardíamente, en comparación con otros países, llegó la energía eléctrica a la industria en los talleres, fábricas y el transporte urbano. Este alumbrado al inicio estaba constituido por lámparas de gas que eran encendidas manualmente por empleados con pebeteros y luego de la introducción del servicio de energía eléctrica se reemplazo por lámparas incandescentes de filamento encendidas mediante interruptores como las bombillas residenciales comunes.

En la actualidad el sistema de alumbrado público en Colombia se compone principalmente de lámparas de vapor de mercurio de baja presión (fluorescentes), de mercurio de alta presión, lámparas de luz de mezcla, lámparas de halogenuros metálicos, lámparas de vapor de sodio de baja y de alta presión y lámparas tipo LED.

Estas lámparas deben cumplir con las normas que establecen las entidades gubernamentales encargadas de la regulación y la vigilancia del alumbrado público. Con este fin se crean la Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios (SSPD), la Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG) [8], la Unidad de Información Minero Energética (UIME) [9] y la Comisión de Planeación Minero Energética (UPME) [10]. La base de la creación de estas nuevas entidades está dada por la constitución de 1991 que dice: …la función del Estado [en este aspecto] es la de regular, controlar y vigilar más que la de administrar.

Estas entidades han creado los reglamentos que rigen el alumbrado público en todo el territorio nacional y que son principalmente: el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE) [11], modificado posteriormente para el sector de alumbrado público específicamente como el Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público (RETILAP), la Norma Técnica Colombiana (NTC900) y los decretos aclaratorias y regulatorios específicos como el decreto 3450 de 2008 que tiene que ver con uso racional de la energía.

En Ibagué la empresa encargada del manejo y prestación del servicio de alumbrado público es el Instituto para el Financiamiento, Promoción y Desarrollo de Ibagué (INFIBAGUÉ), el cual está a cargo de 37.000 lámparas de alumbrado público entre lámparas de 70W, 150W, 250W y 400W principalmente. En la actualidad, la gran mayoría de las lámparas son de vapor de sodio de alta presión y de 70W. Las lámparas de tecnología LED están siendo probadas en varios puntos de la ciudad y en diferentes niveles de potencia y las de vapor de mercurio han sido remplazadas en su totalidad debido a sus fuertes tasas de contaminación.

La importancia del estudio y la comparación entre las principales tecnologías de iluminación de alumbrado público en uso hoy en día en Colombia, como son las de vapor de sodio y la de LED, radica primordialmente en conocer cuál es el nivel de cumplimiento de cada una de ellas de las normas de uso eficiente, eficaz y adecuado de la energía consignadas en los documentos y normas citados anteriormente, y que es un principio rector del Estado colombiano a partir del año 1998. Este uso eficaz y eficiente de la energía eléctrica va de la mano con principios que involucran desde el mantenimiento y conservación del medio ambiente, la disminución de la contaminación lumínica, la disminución de los niveles de consumo hasta el ahorro económico por menores y mejores usos de las lámparas existentes. El cumplimiento de todas las normas de una manera eficiente redunda en el cuidado del entorno, en una mejor calidad de la iluminación y en el mejoramiento del recaudo y del uso de los recursos del gobierno para que sean destinados en otros rubros.

1.5 ESTADO DEL ARTE

1.5.1 CLASIFICACIÓN DE LAS LÁMPARAS. En cuanto al alumbrado público existen algunas características fundamentales que diferencias los diferentes tipos de lámparas existentes. Esta característica está dada por el tipo de elemento que se utiliza para producir la iluminación. Así, podemos clasificar los tipos de lámparas de la siguiente manera [12, 13]:

a) LÁMPARAS DE BAJA PRESIÓN

  • Lámparas de vapor de mercurio (fluorescentes). Las lámparas fluorescentes son lámparas de vapor de mercurio a baja presión (0.8 Pa). En estas condiciones, en el espectro de emisión del mercurio predominan las radiaciones ultravioletas en la banda de 253.7 nm. Para que estas radiaciones sean útiles, se recubren las paredes interiores del tubo con polvos fluorescentes que convierten los rayos ultravioletas en radiaciones visibles. De la composición de estas sustancias dependerán la cantidad y calidad de la luz, y las cualidades cromáticas de la lámpara. En la actualidad se usan dos tipos de polvos; los que producen un espectro continuo y los trifósforos que emiten un espectro de tres bandas con los colores primarios. De la combinación estos tres colores se obtiene una luz blanca que ofrece un buen rendimiento de color sin penalizar la eficiencia como ocurre en el caso del espectro continuo. En la figura 1.1 se puede apreciar una lámpara fluorescente común con sus componentes normales.

Figura 1.1 Lámpara fluorescente.

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Fuente: Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Catalunya.

Las lámparas fluorescentes se caracterizan por carecer de ampolla exterior. Están formadas por un tubo de diámetro normalizado, normalmente cilíndrico, cerrado en cada extremo con un casquillo de dos contactos donde se alojan los electrodos. El tubo de descarga está relleno con vapor de mercurio a baja presión y una pequeña cantidad de un gas inerte que sirve para facilitar el encendido y controlar la descarga de electrones.

El rendimiento en color de estas lámparas varía de moderado a excelente según las sustancias fluorescentes empleadas. Para las lámparas destinadas a usos habituales que no requieran de gran precisión su valor está entre 80 y 90. De igual forma la apariencia y la temperatura de color varía según las características concretas de cada lámpara.

La eficacia de estas lámparas depende de muchos factores: potencia de la lámpara, tipo y presión del gas de relleno, propiedades de la sustancia fluorescente que recubre el tubo, temperatura ambiente. Esta última es muy importante porque determina la presión del gas y en último término el flujo de la lámpara. La eficacia oscila entre los 38 y 91 lm/W dependiendo de las características de cada lámpara. Se puede ver el triángulo de uso de potencia de la lámpara en la figura 1.2, a continuación.

Figura 1.2 Balance energético de una lámpara fluorescente.

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Fuente: Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Catalunya.

La duración de estas lámparas se sitúa entre 5000 y 7000 horas. Su vida termina cuando el desgaste sufrido por la sustancia emisora que recubre los electrodos, hecho que se incrementa con el número de encendidos, impide el encendido al necesitarse una tensión de ruptura superior a la suministrada por la red. Además de esto, hemos de considerar la depreciación del flujo provocada por la pérdida de eficacia de los polvos fluorescentes y el ennegrecimiento de las paredes del tubo donde se deposita la sustancia emisora.

Las lámparas fluorescentes necesitan para su funcionamiento la presencia de elementos auxiliares. Para limitar la corriente que atraviesa el tubo de descarga utilizan el balasto y para el encendido existen varias posibilidades que se pueden resumir en arranque con cebador o sin él. En el primer caso, el cebador se utiliza para calentar los electrodos antes de someterlos a la tensión de arranque. En el segundo caso tenemos las lámparas de arranque rápido en las que se calientan continuamente los electrodos y las de arranque instantáneo en que la ignición se consigue aplicando una tensión elevada.

Más modernamente han aparecido las lámparas fluorescentes compactas que llevan incorporado el balasto y el cebador. Son lámparas pequeñas con casquillo de rosca o bayoneta pensadas para sustituir a las lámparas incandescentes con ahorros de hasta el 70% de energía y unas buenas prestaciones.

  • Lámparas de vapor de sodio. La descarga eléctrica en un tubo con vapor de sodio a baja presión produce una radiación monocromática característica formada por dos rayas en el espectro (589 nm y 589.6 nm) muy próximas entre sí. En la figura 3 se puede apreciar qué tan cerca de la sensibilidad del ojo humano está la longitud de onda de la luz de estas lámparas.

Figura 1.3 Espectro de una lámpara de vapor de sodio a baja presión.

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Fuente: Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Catalunya.

La radiación emitida, de color amarillo, está muy próxima al máximo de sensibilidad del ojo humano (555 nm). Por ello, la eficacia de estas lámparas es muy elevada (entre 160 y 180 lm/W). Otras ventajas que ofrece es que permite una gran comodidad y agudeza visual, además de una buena percepción de contrastes. Por contra, su monocromatismo hace que la reproducción de colores y el rendimiento en color sean muy malos haciendo imposible distinguir los colores de los objetos. La vida media de estas lámparas es muy elevada, de unas 15000 horas y la depreciación de flujo luminoso que sufren a lo largo de su vida es muy baja por lo que su vida útil es de entre 6000 y 8000 horas. Esto junto a su alta eficiencia y las ventajas visuales que ofrece la hacen muy adecuada para usos de alumbrado público, aunque también se utiliza con finalidades decorativas. Se puede ver la eficiencia energética en la figura 1.4.

Figura 1.4 Balance energético de una lámpara de vapor de sodio a baja presión.

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Fuente: Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Catalunya.

En cuanto al final de su vida útil, este se produce por agotamiento de la sustancia emisora de electrones como ocurre en otras lámparas de descarga. Aunque también se puede producir por deterioro del tubo de descarga o de la ampolla exterior. Una configuración típica de una lámpara de vapor de sodio de baja presión se puede apreciar en la figura 1.5.

Figura 1.5 Lámpara de vapor de sodio a baja presión.

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Fuente: Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Catalunya.

En estas lámparas el tubo de descarga tiene forma de U para disminuir las pérdidas por calor y reducir el tamaño de la lámpara. Está elaborado de materiales muy resistentes pues el sodio es muy corrosivo y se le practican unas pequeñas hendiduras para facilitar la concentración del sodio y que se vaporice a la temperatura menor posible. El tubo está encerrado en una ampolla en la que se ha practicado el vacío con objeto de aumentar el aislamiento térmico. De esta manera se ayuda a mantener la elevada temperatura de funcionamiento necesaria en la pared del tubo (270 ºC).

El tiempo de arranque de una lámpara de este tipo es de unos diez minutos. Es el tiempo necesario desde que se inicia la descarga en el tubo en una mezcla de gases inertes (neón y argón) hasta que se vaporiza todo el sodio y comienza a emitir luz. Físicamente esto se corresponde a pasar de una luz roja (propia del neón) a la amarilla característica del sodio. Se procede así para reducir la tensión de encendido.

b) LÁMPARAS DE ALTA PRESIÓN

  • Lámparas de vapor de mercurio. A medida que se aumenta la presión del vapor de mercurio en el interior del tubo de descarga, la radiación ultravioleta característica de la lámpara a baja presión pierde importancia respecto a las emisiones en la zona visible (violeta de 404.7 nm, azul 435.8 nm, verde 546.1 nm y amarillo 579 nm). En la figura 1.6 se ve el espectro de la zona visible.

Figura 1.6 Espectro de emisión.

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Fuente: Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Catalunya.

En estas condiciones la luz emitida, de color azul verdoso, no contiene radiaciones rojas. Para resolver este problema se acostumbra a añadir sustancias fluorescentes que emitan en esta zona del espectro. De esta manera se mejoran las características cromáticas de la lámpara. La temperatura de color se mueve entre 3500 y 4500 K con índices de rendimiento en color de 40 a 45 normalmente. La vida útil, teniendo en cuenta la depreciación se establece en unas 8000 horas. La eficacia oscila entre 40 y 60 lm/W y aumenta con la potencia, aunque para una misma potencia es posible incrementar la eficacia añadiendo un recubrimiento de polvos fosforescentes que conviertan la luz ultravioleta en visible.

Figura 1.7 Balance energético de una lámpara de mercurio a alta presión.

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Fuente: Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Catalunya.

Los modelo más habituales de estas lámparas tienen una tensión de encendido entre 150 y 180 V que permite conectarlas a la red de 220 V sin necesidad de elementos auxiliares. Para encenderlas se recurre a un electrodo auxiliar próximo a uno de los electrodos principales que ioniza el gas inerte contenido en el tubo y facilita el inicio de la descarga entre los electrodos principales. A continuación se inicia un periodo transitorio de unos cuatro minutos, caracterizado porque la luz pasa de un tono violeta a blanco azulado, en el que se produce la vaporización del mercurio y un incremento progresivo de la presión del vapor y el flujo luminoso hasta alcanzar los valores normales. Si en estos momentos se apagara la lámpara no sería posible su reencendido hasta que se enfriara, puesto que la alta presión del mercurio haría necesaria una tensión de ruptura muy alta.

Uno de los inconvenientes que se les ha venido presentando en la actualidad a este tipo de lámparas es el hecho de que su componente principal es altamente contaminante y al terminar su vida útil se necesita de una disposición especial que, generalmente, no es la más adecuada. En la figura 1.8 se muestra una típica lámpara de mercurio de alta presión.

Figura 1.8 Lámpara de mercurio a alta presión.

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Fuente: Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Catalunya.

  • Lámparas de luz de mezcla. Las lámparas de luz de mezcla son una combinación de una lámpara de mercurio a alta presión con una lámpara incandescente y, habitualmente, un recubrimiento fosforescente. El resultado de esta mezcla es la superposición, al espectro del mercurio, del espectro continuo característico de la lámpara incandescente y las radiaciones rojas provenientes de la fosforescencia, como se puede observar en la figura 1.9.

Figura 1.9 Espectro de emisión de una lámpara de luz de mezcla.

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Fuente: Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Catalunya.

Su eficacia se sitúa entre 20 y 60 lm/W y es el resultado de la combinación de la eficacia de una lámpara incandescente con la de una lámpara de descarga. Estas lámparas ofrecen una buena reproducción del color con un rendimiento en color de 60 y una temperatura de color de 3600 K. La duración viene limitada por el tiempo de vida del filamento que es la principal causa de fallo.

Respecto a la depreciación del flujo hay que considerar dos causas. Por un lado tenemos el ennegrecimiento de la ampolla por culpa del wolframio evaporado y por otro la pérdida de eficacia de los polvos fosforescentes. En general, la vida media se sitúa en torno a las 6000 horas. La figura 1.10 muestra los componentes de una lámpara de luz de mezcla típica.

Figura 1.10 Lámpara de luz de mezcla.

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Fuente: Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Catalunya.

Una particularidad de estas lámparas es que no necesitan balasto ya que el propio filamento actúa como estabilizador de la corriente. Esto las hace adecuadas para sustituir las lámparas incandescentes sin necesidad de modificar las instalaciones.

  • Lámparas con halogenuros metálicos. Si se añade en el tubo de descarga yoduros metálicos (sodio, talio, indio...) se consigue mejorar considerablemente la capacidad de reproducir el color de la lámpara de vapor de mercurio. Cada una de estas sustancias aporta nuevas líneas al espectro (por ejemplo amarillo el sodio, verde el talio y rojo y azul el indio). En la figura 1.11 se pueden observar los principales componentes espectrales.

Figura 1.11 Espectro de emisión de una lámpara con halogenuros metálicos.

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Fuente: Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Catalunya.

Los resultados de estas aportaciones son una temperatura de color de 3000 a 6000 K dependiendo de los yoduros añadidos y un rendimiento del color de entre 65 y 85. La eficiencia de estas lámparas ronda entre los 60 y 96 lm/W y su vida media es de unas 10000 horas. Tienen un periodo de encendido de unos diez minutos, que es el tiempo necesario hasta que se estabiliza la descarga. Para su funcionamiento es necesario un dispositivo especial de encendido, puesto que las tensiones de arranque son muy elevadas (1500-5000 V). Las excelentes prestaciones cromáticas la hacen adecuada entre otras para la iluminación de instalaciones deportivas, para retransmisiones de TV, estudios de cine, proyectores, etc. En la figura 1.12 se puede observar una lámpara típica de este tipo.

Figura 1.12 Lámpara con halogenuros metálicos.

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Fuente: Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Catalunya.

  • Lámparas de vapor de sodio. Las lámparas de vapor de sodio a alta presión tienen una distribución espectral que abarca casi todo el espectro visible proporcionando una luz blanca dorada mucho más agradable que la proporcionada por las lámparas de baja presión. La figura 1.13 muestra los componentes espectrales de una lámpara de sodio de alta presión.

Figura 1.13 Espectro de una lámpara de vapor de sodio a alta presión.

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Fuente: Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Catalunya.

Las consecuencias de esto es que tienen un rendimiento en color (Tcolor= 2100 K) y capacidad para reproducir los colores mucho mejores que la de las lámparas a baja presión (IRC = 25, aunque hay modelos de 65 y 80). En la siguiente figura se puede observar el rendimiento energético de este tipo de lámparas.

Figura 1.14 Balance energético de una lámpara de vapor de sodio a alta presión.

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Fuente: Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Catalunya.

No obstante, esto se consigue a base de sacrificar eficacia; aunque su valor que ronda los 130 lm/W sigue siendo un valor alto comparado con los de otros tipos de lámparas.

La vida media de este tipo de lámparas ronda las 20000 horas y su vida útil entre 8000 y 12000 horas. Entre las causas que limitan la duración de la lámpara, además de mencionar la depreciación del flujo tenemos que hablar del fallo por fugas en el tubo de descarga y del incremento progresivo de la tensión de encendido necesaria hasta niveles que impiden su correcto funcionamiento.

Las condiciones de funcionamiento son muy exigentes debido a las altas temperaturas (1000 ºC), la presión y las agresiones químicas producidas por el sodio que debe soportar el tubo de descarga. En su interior hay una mezcla de sodio, vapor de mercurio que actúa como amortiguador de la descarga y xenón que sirve para facilitar el arranque y reducir las pérdidas térmicas. El tubo está rodeado por una ampolla en la que se ha hecho el vacío. La tensión de encendido de estas lámparas es muy elevada y su tiempo de arranque es muy breve. La figura 1.15 muestra una lámpara de vapor de sodio de alta presión típica.

Figura 1.15 Lámpara de vapor de sodio a alta presión.

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