Nomenclatura TABLA I. POBLACION QUE MANIFIESTA QUE EXISTE ALUMBRADO PÚBLICO EN SU COMUNIDAD, SEGÚN REGION NATURAL,

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1 Sistema de Iluminación Pública Autónoma A. Castro, E. Sanchez, M. Valdivia Undergrade Students Members Ricardo Palma University- Perú, {alvaro_cb, hotmail.com, edu094@ outlook.com Abstract In this project, we will use solar energy and wind energy, both energies were going to be converted into light energy, which serve to illuminate the streets of the city through the new street lights that would be installed. Using solar panels for solar energy as part of propellers for wind part. We see also the use of different types of electronic elements such as diode. The purpose of this project is changing the type of energy used in the city, leaving aside the conventional electric power. Palabras Claves Energía Solar, Energía Eólica, Luz, Panel Solar, LEDs. S.I.P.A.: Sistema de Iluminación Pública Autónoma VRLA: Valve-Regulate Lead-Acid Nomenclatura I. INTRODUCCIÓN En la actualidad el índice de delincuencia en Lima como en otros departamentos está en aumento debido a la falta de alumbrado público en algunas zonas. De acuerdo al sondeo de Ipsos Apoyo el índice de delincuencia en el 2011 era del 36%, se elevó a 41% en el 2012 y en la actualidad presentamos un índice del 60%. En el año 2013, el 65,6% de la población rural manifestó que su comunidad existe alumbrado público. A nivel de regiones naturales, la Costa presento el mayor porcentaje de población rural que manifestó la existencia de alumbrado público en su comunidad, con el 89,0%. Le siguen la Sierra con 66,8% y la Selva con el 50,3%. [1] TABLA I. POBLACION QUE MANIFIESTA QUE EXISTE ALUMBRADO PÚBLICO EN SU COMUNIDAD, SEGÚN REGION NATURAL, Región Natural Año Variación Porcentual ( ) Total Costa Sierra Selva Como podemos apreciar, todavía hay un significativo porcentaje de población rural que no posee alumbrado público, un 34.4% de la población rural total en el 2013, en la actualidad este porcentaje se mantiene significativamente y esto genera un problema tanto en la calidad de vida como de seguridad de la población. Las estadísticas del INEI, contenidas en el Informe Técnico N 8 de diciembre de 2013, sobre seguridad ciudadana del periodo abril - setiembre 2013, demuestra que el 61% de los ciudadanos señalan que la delincuencia y la falta de seguridad es el principal problema que les aqueja. [2] Buscando soluciones a problemas como este, nosotros proponemos un Sistema de Iluminación Publica Autónoma, un poste de alumbrado público alimentado mediante energía solar y energía eólica. La energía solar puede ser aprovechada en alto grado de porcentaje durante el día para almacenarla y así accionar un dispositivo autónomo que nos brinde un beneficio durante la noche. Pero no solo se buscara la autonomía del poste con energía solar, sino también con energía eólica, el viento que transcurre accionara unas paletas que se encuentran en el poste el cual acumulara más energía, gracias a la conversión de energía mecánica a eléctrica.

2 Fig. 1. Diagrama de bloques del SIPA La figura 1 corresponde al diagrama de bloques del Sistema de Iluminación Publica Autónoma, que consta de un circuito de potencia suministrado tanto por la energía solar como por la energía eólica, a su vez este circuito de potencia suministra de carga a la batería gel, la cual da energía a los sensores día y noche como también a las luces Led. A. Panel Fotovoltaico Un panel fotovoltaico esta formados por un conjunto de celdas que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos. El efecto fotovoltaico, es decir, convertir la luz solar en electricidad se produce en materiales conocidos como semiconductores, las cuales son materiales cuya conductividad puede ser notificada, y además generar una corriente eléctrica con cargas negativas, positivas o ambas. [3] La eficiencia de una celda solar es el porcentaje de potencia convertida en energía eléctrica de la luz solar total absorbida por un panel, esta eficiencia podemos representarla mediante la siguiente formula: n = P m E x A c (1) Donde P m es la potencia máxima, E es la irradiación y A c es el área superficial de la célula solar. [4] B. Energía Eólica La máxima potencia que le podríamos sacar al viento, ya sea con un molino de viento quijotesco o un aerogenerador de última generación se calcula con una expresión matemática conocida como el límite de Betz. [5] P es la potencia expresada en vatios [W] D es el diámetro del rotor en metros [m] V es la velocidad del viento en metros por segundo [m/s] P = 0.29 * D 2 * v 3 (2) También es necesario saber cuál es la velocidad de giro de una eólica para realizar un correcto diseño y así aprovechar de manera eficiente la energía que se generara, para esto podemos usar la siguiente formula: [6] n = ( 60 * v * λ )/(π * D ) (3) N es el número de revoluciones por minuto [rpm]

3 Λ es la velocidad específica del rotor eólico V es la velocidad del viento en metros por segundo [m/s] D es el diámetro de la eólica en metros [m] C. Aerogenerador Savonius Darrieus El aerogenerador Savonius-Darrieus es una combinación única de dos tipos de arquitectura diferentes cuyas respectivas interacciones permiten un funcionamiento muy eficiente y silencioso, el cual nos ofrece un arranque con vientos débiles gracias a las palas de Savonius, un perfil aerodinámico de las palas de Darrieus que permite una optimización del rendimiento energético, este sistema también nos garantiza que sea silencioso y autónomo, con una maximización de la eficiencia energética superior a 90%. [7] Fig.2. potencia generada por el aerogenerador savonius-darrieus respecto a la fuerza del viento El aerogenerador Savonius puede arrancar con poco viento, siendo sencilla su fabricación, posee una velocidad de giro pequeña y su rendimiento es relativamente bajo. Las fuerzas que ejerce el viento en la parte cóncava y convexa son diferentes y ello hace que el conjunto gire alrededor de un eje. Para el rotor Savonius de dos palas o canaletas, el coeficiente de arrastre es expresado por la siguiente ecuación: F arr = 1 2 * p * S * ([V + U] * [V + U] 2 ) (4) [8] D. Luces Led Los postes de alumbrado público convencionales dependiendo de su ubicación (parques, calles avenidas carreteras) utilizan distintos tipos de lámparas, estas pueden ser: incandescentes, fluorescente o integrado de luz mixta, en este capítulo usaremos como ejemplo las lámparas de luz incandescente para compararlas con las lámparas Led que proponemos con nuestro SIPA. Porque usamos LEDs en lugar de los focos convencionales? Ya que gracias a su enorme potencial, tanto en la eficiencia como en la calidad de luz y el confort visual, predestina a los diodos luminosos como las fuentes de luz del futuro, y en especial como alternativa a las lámparas incandescentes y halógenas con su balance energético desfavorable. [9] El flujo luminoso designa la potencia luminosa total generada por una fuente de luz en el espectro visible y contempla la distinta sensibilidad espectral del ojo conforme a la curva V (λ). Un flujo de radiación en gamas de frecuencia de menor sensibilidad del ojo tiene como consecuencia unos flujos luminosos menores. Los LEDs evolucionan hacia unas potencias instaladas y unos flujos luminosos cada vez mayores, de modo que pueden ser utilizados con creciente frecuencia en tareas de iluminación con gran demanda de flujo luminoso. Para la elección rápida de las lámparas y las potencias adecuadas, es recomendable planificar conforme a paquetes de lumen. [10] La emisión de luz se mide en lúmenes, esto permite las comparaciones directas con la cantidad de luz (rendimiento actual de la lámpara). Debido a que los LEDs utilizan menos energía para producir la misma emisión de luz que una lámpara incandescente podemos realizar un cuadro comparativo. TABLA II. CUADRO DE COMPARACION ENTRE LAMPARA LED E INCANDESCENTE POR EMISION DE LUZ Emisión de luz (lumen) Lámpara Led (W) Lámpara Incandescente (W) 50 / / / / / / / / / En este cuadro podemos observar que una lámpara Led requiere menos potencia para emitir una misma cantidad de luz que una lámpara incandescente, de esta manera podemos asegurar un ahorro en consumo utilizando lámparas Led. [11] Una lámpara Led emite más lúmenes de potencia luminosa a medida que su temperatura de calor en grados kelvin ( K) es más alta. A menos grados kelvin corresponde una "luz cálida", mientras que a una temperatura mayor la luz que se obtiene

4 es fría, con más potencia en lúmenes. [12] TABLA. III - CUADRO COMPARATIVO ENTRE LAMPARA LED Y LAMPARA INCANDESCENTE Características Lámpara Led Lámpara Incandescente Ciclos de Indefinido Indefinido encendido / apagado Demora para Instantáneo Instantáneo encender Emisor de calor Muy baja Alta Consumo Bajo Alto eléctrico Eficiencia Alta Baja Sensibilidad a la Ninguna Poca baja temperatura Sensibilidad a la Ninguna Poca humedad Contenido de Ninguna Ninguna materiales tóxicos Vida útil en horas de funcionamiento Permite atenuación Algunos modelos Todas El ahorro que genera una bombilla Led con respecto a otras depende de los vatios que consumen pero también de los gastos de mantenimiento, en la siguiente tabla podemos ver una comparativa que podría representar de 10 lámparas que usan bombillas incandescentes de 60W y que se sustituyen por bombillas Leds de 7W. [13] Tabla IV CUADRO COMPARATIVO DE AHORRO ENTRE UNA BOMBILLA LED Y BOMBILLA INCANDECENTE Tipo De Bombilla Incandescente Led Potencia W 60 7 Horas De Uso 6 6 Cons/Mes en KW Precio KW (euro) Gasto Total (euro) Ahorro 0% 88% E. Batería Gel La fuerza electromotriz de una batería es la energía que la batería entrega a la red cuando por ella circula un culombio en el sentido de la fuerza electromotriz, es decir, desde el terminal negativo al positivo por dentro de la batería. Esta energía que se almacena es representada por la siguiente ecuación: W es la energía almacenada. W = q * e (5)[14]

5 e es la fuerza electromotriz q es culombios. Básicamente la gran diferencia entre una batería convencional de plomo-ácido con una de gel es el estado del electrolito, en las baterías convencionales las placas de plomo están sumergidas en electrolito líquido mientras que las baterías en gel este electrolito ha sido gelificado, esto presenta en si varios beneficios entre los cuales podemos señalar los siguientes: Las baterías de gel son completamente libres de mantenimiento. Al ser gelificado el electrolito se reduce a porcentajes mínimos la evaporación. Son baterías selladas. La cantidad mínima de evaporación durante la carga se vuelve a redirigir en lo interno de la batería. Al no existir escapes de gases se evitan la corrosión de sus postes y las respectivas gasas de batería. Puede existir la posibilidad de variar la posición de la batería según la necesidad pues al ser selladas y estar gelificado el electrolito se limita por completo el derrame de ácido algo común en las baterías convencionales. [15] Fig. 3. Duración de vida en ciclos. Las baterías se gastan debido a las cargas y descargas. El número de ciclos depende de la profundidad de descarga, tal como se muestra en la figura 3. El método de carga más corriente para las baterías VRLA utilizadas en ciclos es la característica en tres etapas, según la cual una fase de corriente constante (fase "Bulk") va seguida por dos fases con voltaje constante ("Absorción" y "Flotación"). (Ver figura 4) Durante la fase de absorción, el voltaje de carga se mantiene a un nivel relativamente elevado para acabar de cargar la batería en un tiempo razonable. La tercera y última fase es la de mantenimiento (Flotación), el voltaje se reduce a un nivel justamente suficiente para compensar el auto descarga. [16] A. Diseño Solar Fig. 4. Régimen de carga en tres etapas II. DESARROLLO En el diseño de la etapa de generación eléctrica a partir de celdas solares consideramos conectar estas celdas entre si, tanto en serie com en paralelo para poder tener un nivel de corriente y tensión optimas para el correcto funcionamiento de las luces Led, para esto la energia que reciban los paneles solares pasaran a un regulador de voltaje, el cual genera una salida de 12 volteos en DC. Esta salida estara conectado a la bateria pero en el intermedio de esta conexion estara un diodo

6 para evitar un flujo de vuelta de voltaje. Con el circuito controlador el cual sabra por medio de sensores la necesidad de luz artificial, sera quien encienda las luces Leds. El regulador de voltaje tanto como el diodo son vitales en este circuito. Ya que los paneles solares generan una corriente DC, pero con diferentes picos. Estos picos podrian dañar el circuito como las luces Leds, para evitar este daño se utiliza un regulador de voltaje, ya que su entrada permitira varios picos en DC pero en su salida siempre habran 12 volteos DC, voltaje seguro para el circuito y las luces Leds. El uso de diodos en esta etapa es importante ya que son dispositivos semiconductores que permiten hacer fluir la electricidad solo en un sentido. Por este motivo el diodo ira tanto entre los paneles y el regulador y entre la conexión del regulador de voltaje y la bateria, para permitir que el flujo vaya del regulador a la bateria y no inversamente. Esto para asegurar una carga en la bateria en lugar de una descarga sin utlizar las luces Leds. B. Diseño Eólico Fig. 5. Turbina Savonius Darrieus Para el diseño de la etapa de generación eléctrica mediante energía eólica, usamos la Turbina Darrieus ya que combinada con un generador de Savonius la cual es una máquina de generación eólica vertical que está conformada por tres hojas en forma de S, donde el lado convexo de la mitad del cilindro y el lado cóncavo de la otra mitad, están enfrentando al viento en forma alternada. El coeficiente de arrastre del lado cóncavo, es mayor que el coeficiente de arrastre de la superficie del lado convenzo, en consecuencia la mitad del cilindro con la superficie cóncava que enfrenta al viento, será la que experimenta más arrastre, forzándolo a girar. [17] En la parte central podemos realizar un par de arranque más eficiente, puesto que esta turbina nos ofrece una gran eficiencia pero requiere vientos iguales o superiores a los 15 metros sobre segundo. Cuando el generador de Savonius requiere vientos de 3 a 4 metros sobre segundo. Gracias a esta combinación de sistemas, lograremos una potencia de 7 KW a 9 KW la cual podrá accionar las luces Led del SIPA. En la figura 5 podemos observar el diseño de la turbina Savonius-Darrieus, la cual se ubicara en la parte media alta de nuestro poste, este sistema eólico nos genera corriente alterna por lo cual es necesario un sistema de rectificación de corriente y posteriormente un sistema de regulación de tensión para que esta energía pueda ser almacenada en la batería gel que finalmente accionara nuestro SIPA la cual nos proveerá de una luz Led que alumbraran carreteras, parques o avenidas con una larga duración de tiempo. C. Sensor Día Noche Para una correcta interfaz entre el usuario y nuestro SIPA hacemos uso de un LDR, que en este caso detecta el cambio de día a noche y viceversa para poder un control de nuestro sistema, haciendo también el cambio de energía solar por la energía almacenada, con este sensor podremos controlar de manera automática el encendido y apagado de nuestro SIPA, para poder tener un mayor rendimiento, ya que solo se prendera en caso sea necesario. Fig. 6. Diagrama circuital del sensor día-noche

7 D. Etapa de Regulación de Tensión Debió a que los paneles solares conectados entre sí en seria y en paralelo producen altos picos de tensión, hemos tenido la necesidad de recortar estos picos y llevarlos a un nivel constante de 12v para un mejor manejo de nuestros circuitos y luces Led, ya que estos picos puede causar algún daño o deterior a largo plazo. Para esta etapa de regulación hacemos uso del transistor 7812 y de condensadores de 0.33uF y 0.1uF, como podemos observar en la figura 7 en nivel de tensión en la salida del circuito se mantendrá de manera constante en 12v. E. Acoplamiento Sistema Eólica Fig. 7. Circuito del regulador de tensión Fig. 8. Acoplamiento del Sistema Eólico Como este proyecto funciona tanto con energía como energía eólica, es necesario buscar una solución para las partes físicas de estos sistemas ya que el generador eólico que se encuentra en la parte media-alta del poste, es decir a 3.5m del suelo aproximadamente, este no puede ir en la misma línea del generador solar ya que se impedirá el paso de cables de alimentación o conmutación con los circuitos, por este motivo planteamos la siguiente solución: En el centrador superior el borde poseerá un juego de dientes de engranajes, estos dientes giraran a la velocidad y fuerza de las mismas aspas, a su vez estos dientes darán giro al generador que se ubicara a 90 grados respecto del poste, con esto, los dientes del centrador superior giraran el generador dejando de lado la parte central del tubo, el cual servirá como estructura principal de todo el sistema como también esa parte central hueca del tubo servirá para pasar cables desde la batería que se encuentra abajo hasta los generadores de energía y el circuito de potencia. III. RESULTADOS Luego del estudio del prototipo, sabemos que incidencia sobre los paneles varía según la hora, lo cual esto genera una dependencia sobre la cantidad de voltaje que incide sobre las baterías que más tarde incide sobre la cantidad de voltaje que reciben las luces LEDs. Como la energía receptada por el panel solar no es uniforme es necesario tener un regulador de voltaje para poder obtener un nivel de voltaje uniforme, para esto es necesario saber cuál es el voltaje de salida del panel solar, por lo cual se hizo un testeo con los siguientes resultados. TABLA V.- MEDICION DE VOLTAJE SEGÚN LA HORA

8 Panel 1 Panel 2 Panel 3 Total V Hora 10: : : : : : IV. CONCLUSIONES Como se dijo al inicio de este trabajo, buscando como mejorar la seguridad y la calidad de vida de la población, concluimos que el uso de la energía solar como la energía eólica es muy viables para poder obtener alumbrado público. Además de que el bajo consumo de potencia de las luces LEDs como también su tiempo de vida la cual podemos observar en la tabla IV es mucho mayor y rentable a largo plazo que focos incandescentes convencionales. Con SIPA garantizamos un ahorro aproximado al 80% en el consumo de postes de alumbrado público convencionales que se verán reflejados en el pago por servicios de luz generado por empresas, también garantizamos una reducción en accidentes provocados por malas instalaciones de postes de alumbrados públicos convencionales ya que estos presentan cableado de alta tensión y nuestro SIPA no presenta un cableado que puede V. OBSERVACIONES Como no toda la población tiene la misma forma de edificaciones, es necesario hacer diferentes estudios sobre la cantidad de luz y viento hay en la zona donde se pondrá el SIPA, esto para buscar una mayor recepción tanto de energía solar como energía eólica y así obtener mayor energía total. Es necesario tener cuidado con el mantenimiento del SIPA ya que por poseer partes móviles, como son los dientes de engranajes, es necesario que estas partes estén bien lubricadas, para garantizar la eficiencia y durabilidad. VI. REFERENCIAS Libros: [1] INEI, "Capitulo 3 - Infraestructura, acceso a servicios sociales básicos y a oportunidades de mercado en comunidades rurales", Pag 87 [2] Presidencia Del Consejo De Ministros, "Informe de diferencias, controversias y conflictos sociales - Inseguridad ciudadana y conflictos sociales en el norte del Peru", Pag 11 [3] I. E Pereda, "Celdas Fotovoltaicas En Generación Distribuida", Pag 9 [4] Hermosillo J, Gudiño D, Mendoza M, "Notas sobre el curso de Energía Solar", Pag 95 [5][6]Voneschen M, Construcción de generador eólico, Pag 2,3 [7] Windelux, Candelabro autónomo gracias a energías renovables, 2014, Pag 1 [8] Villarrubia M, Ingeniería de la Energía Eólica, Pag 47 [9] [10] ERCO Iluminación Con LED, Pag 3,24 [11] Baleno A. Led Revolution, 2013 Pag 51 [12] leds_equivalencias [13]

9 [14] Quintanela F, Redondo R, Arevalo J, Melchor N, Redondo M, Carga de una batería y electricidad, dos términos de utilización confusa, Pag 257 [15] [16] Victron Energy, "Baterías Gel y AGM", Pag 2 [17] David A, "Wind Turbine Technology, fundamental concepts of wind turbine engineering", 2002 [18] Pedro F, "Ingeniería eléctrica y energética", 2000 II. BIOGRAFÍAS Eduardo J. Sánchez Zorrilla: Nació el 4 de mayo de 1994 en el departamento de Lima-Perú. Curso sus estudios primarios en la institución educativa San Ignacio de Loyola y sus estudios secundarios en la institución educativa Trento Pro. Actualmente alumno de la Universidad Ricardo Palma. Estudiante de la carrera Ingeniera Mecatrónica. Interesado en especializarse en Biomédica. Cursando octavo ciclo. Teléfono: (+51) Miguel A. Valdivia Saldaña: Nació el 27 de marzo de 1993 en el departamento de Lima-Perú. Curso sus estudios primarios en la institución San Juan Macías, 1-2 año de secundaria en la institución educativa Melvin Jones y culmino sus estudios secundarios en la institución educativa Saco Oliveros. Actualmente alumno de la Universidad Ricardo Palma. Estudiante de la carrera Ingeniera Mecatrónica. Interesado en especializarse en Domótica y Automatización. Cursando el octavo ciclo. Teléfono: (+51) Álvaro M. Castro Bautista: Nació el 17 de setiembre de 1992 en el departamento de Lima-Perú. Curso sus estudios primarios en la institución educativa Inmaculado Corazón y sus estudios secundarios en la institución educativa Santa Rosa de Lima. Actualmente alumno de la Universidad Ricardo Palma. Estudiante de la carrera Ingeniera Mecatrónica. Interesado en especializarse en Autotronica. Cursando séptimo ciclo. Teléfono: (+51)