C1-115 USO DE FOTOCELULAS ELECTRONICAS PARA AHORRO DE ENERGIA EN EL ALUMBRADO PUBLICO

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1 II CONGRESO ENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Comité Nacional enezolano Junio 2009 C1-115 USO DE FOTOCELULAS ELECTRONICAS PARA AHORRO DE ENERGIA EN EL ALUMBRADO PUBLICO RESUMEN J Castro* W Sánchez** * CADAFE Región 7 ** Instituto Politécnico Santiago Mariño En la actualidad, el uso racional de la energía y la optimización del consumo energético constituye uno de los principales temas de discusión mundial en el sector. En ese sentido, en países como México y Colombia entre otros, la utilización de fotocélulas electrónicas ha resultado de gran ayuda en el control del consumo energético por concepto de Alumbrado Público. El presente trabajo tuvo como objetivo general el análisis de la factibilidad del uso de fotocélulas electrónicas para ahorrar energía en los sistemas de Alumbrado Público enezolano. Para lograr este análisis se plantearon los siguientes objetivos específicos: a) Formulación, diseño e instalación de la prueba piloto del ejercicio planteado, b) Recolección de datos y análisis de la data levantada y c) Establecimiento de índices de rentabilidad de su implementación. Así en el presente trabajo, se compararon los resultados obtenidos del consumo energético de una lámpara de sodio, la cual se controló primero con una fotocélula convencional y posteriormente con una fotocélula electrónica ahorradora de energía. Por otra parte es importante mencionar el hecho de que en enezuela, de acuerdo a lo dispuesto en el Art 42 numeral 2 de la Ley Orgánica del Servicio Eléctrico vigente, es atribución de los Municipios asegurar un servicio adecuado de Alumbrado Público, delegando en ellos la responsabilidad y mantenimiento del mismo; sin embargo, su instalación, operación, y mantenimiento constituyen un problema técnico y económico para los entes prestadores de servicio eléctrico. En referencia a la justificación de la presente investigación, la misma se fundamenta en la posibilidad de brindar un servicio público de calidad, enmarcado en el análisis, evaluación e instrumentación de opciones, que permitan enfrentar al menor costo posible el ahorro del consumo energético por concepto de servicio de Alumbrado Público, destacando la potencialidad de ahorro de energía eléctrica por la instalación de fotocélulas electrónicas. PALABRAS CLAE Proyecto Factible - Análisis Fotocélulas Electrónicas - Ahorro Energético - Servicio Público - Factibilidad de Inversión

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Partiendo de la necesidad de brindar un servicio de Alumbrado Público de alta calidad al menor costo posible y enmarcado en los planes de optimización del recurso energético, se evaluaron acciones que se pueden llevar a cabo a un pequeño costo en la gestión de ahorro energético, partiendo de la premisa de utilizar la mínima cantidad posible de energía manteniendo niveles adecuados de seguridad y confort. El desarrollo de nuevas técnicas y tecnologías en el uso eficiente de la energía, es un nuevo enfoque que ha llegado para quedarse y cuyo fin es asegurar un crecimiento económico y social sostenible. En este orden de ideas, las fotocélulas electrónicas se pueden considerar como un elemento enmarcado en dichas políticas de ahorro energético. Por tal razón, la presente investigación propone una serie de acciones para analizar la factibilidad de usar fotocélulas electrónicas con el fin de ahorrar parte de la energía consumida en la prestación del servicio de Alumbrado Público. En ese sentido se estableció como objetivo general de la investigación Analizar la factibilidad del uso de fotocélulas electrónicas para el ahorro de energía en Alumbrado Público, destacando entre los objetivos específicos en primer lugar la recopilación de la información bibliográfica disponible sobre el tema, en segunda instancia la adquisición del equipamiento necesario a los fines de desarrollar una prueba piloto que permita el levantamiento de la data, y finalmente el análisis de los resultados y el establecimiento de conclusiones y recomendaciones. De acuerdo a la naturaleza la investigación planteada, la misma está enmarcada dentro de la modalidad de un Proyecto Factible y se ejecutó desde el punto de vista metodológico como una Investigación de Campo. CONSIDERACIONES ESPECIALES De acuerdo con investigaciones desarrolladas sobre el tema, se ha determinado que existen elementos físicos conocidos como fotocélulas electrónicas, que al ser incorporados al sistema de Alumbrado Público permiten el ahorro de parte de la energía consumida por ese concepto. Por otra parte durante el año 2008 las autoridades de la Compañía Anónima de Administración y Fomento Eléctrico - CADAFE, debido a los altos índices nacionales de pérdidas eléctricas (42%), y considerando que tales pérdidas se deben en parte al uso irracional del servicio eléctrico, realizaron un llamado al uso eficiente y racionado de la energía en enezuela. Para Sotelo (1994), las pérdidas técnicas de energía, constituyen aquella energía que se disipa y que no puede ser aprovechada de ninguna manera. Por esta razón a los fines de coadyuvar con el programa de reducción de pérdidas, se desarrolló la presente investigación basada en el uso de las fotocélulas electrónicas como elementos que permite obtener un ahorro de energía en la prestación del servicio público mencionado. De acuerdo con la Empresa Electrificadora de Santander - ESSA, los fotocontroles son un elemento interruptor cuya acción es conectar o desconectar una lámpara, comandados por un dispositivo electrónico, que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (electrones) denominada celda fotovoltaica. En ese sentido, los dispositivos para el control de iluminación que se utilizan convencionalmente, se centran solo en el encendido y apagado de las 2

3 luminarias mediante elementos sensores que dependiendo de la intensidad de la luz, logran encender o apagar la luminaria. Para el autor ásquez (2001), las características fundamentales de un fotocontrol son la tensión de alimentación, el consumo mínimo, el consumo máximo, la distancia máxima de detección, la carga de salida máxima admisible y la protección contra inversión de polaridad. Estas características fueron incorporadas a un sofisticado dispositivo interruptor electrónico, capaz de producir importantes ahorros de energía al combinar la simplicidad de un fotocontrol convencional con el poder de los microprocesadores digitales, dicho dispositivo fue llamado comercialmente SmartCell, el cual es un sistema que combina elementos eléctricos y electrónicos para el control de la iluminación en sistemas de Alumbrado Público de tipo exterior. El diseño de esta fotocélula electrónica permite encender las lámparas al atardecer y mediante controles programables, definir la hora de inicio y cantidad de ahorro de energía hasta el amanecer. Además incluyen un reloj astronómico que de forma automática calcula la hora solar exacta, permitiendo operar correctamente los microprocesadores que controlan el ahorro energético a diario y en cualquier lugar del mundo donde se haga su instalación. Los expertos en iluminación consideran que un sistema de alumbrado está bien diseñado, si se obtienen los valores medios y la uniformidad de iluminación indicados en las normas internacionales, además agregan que si para ahorrar energía se apagan fuentes de luz o se baja la potencia de las lámparas arbitrariamente, la iluminación deficiente haría que el sistema fuese deficitario, y por otra parte, aumentar la iluminación por encima de cierto nivel incrementaría los costos sin mejorar la visibilidad. PRUEBA PILOTO A continuación se indican las características principales de la prueba piloto implementada, a los fines de poder determinar la efectividad de las fotocélulas electrónicas, así como los resultados obtenidos, señalando fechas, horas y variables levantadas en campo. Una vez adquiridos los equipos necesarios, tales como pinzas voltiamperimetricas, luxómetro, cámara digital, kit de sodio 250 W, medidor de energía bifásico electrónico, fotocontroles convencionales y fotocélulas electrónicas entre otros, se instaló y desarrolló de la prueba piloto, la cual consiste en la medición de diferentes variables de interés, de un sistema conformado por una (01) lámpara de Sodio 250 W a 220. Esta prueba piloto se divide en tres (03) pasos descritos a continuación, el primero de ellos contempla la instalación del sistema controlado por un (01) fotocontrol convencional, el segundo consiste en la sustitución del fotocontrol convencional por una fotocélula electrónica calibrada para un ahorro de energía del 20%, y finalmente se conservó la misma fotocélula electrónica pero calibrada para un ahorro del 50%. La programación de la fotocélula electrónica se realiza de manera sencilla, por medio de tres ajustes o controles electrónicos situados en la parte inferior del dispositivo, los que permiten elegir la escala en porcentaje de ahorro de consumo deseado, determinar la hora de inicio de la rampa de ahorro de energía y la hora de culminación de dicha rampa. er Figura 1. 3

4 Figura 1. Programación de fotocélula electrónica En el ejemplo expuesto en la Figura 1, se ajustaron los controles para realizar el inicio del ahorro de energía a las 22 horas, continuando con un descenso progresivo en el curso de una hora, es decir que el ajuste de fin del ahorro fue colocado a las 23 horas; y desde ese momento hasta las 06 horas se mantendrá una constate de ahorro del 30% que fue ajustado en el control número uno. Una vez se realizó la programación de la fotocélula electrónica se procede a su instalación cuidando de realizar los cambios internos de la luminaria, colocando en la posición adecuada el condensador. er Figura 2. Luego de que cada dispositivo es conectado a la base de la fotocélula, ésta se ajustará automáticamente a la latitud geográfica según las condiciones de programación o ajuste de sus controles y comenzará a generar los ahorros programados. Al instalar la Fotocélula electrónica, hay que tener en cuenta, que ésta se ajustará automáticamente a la hora local en las primeras veinticuatro horas (24 h) ininterrumpidas de tener alimentación. Siendo así, la iniciación de su función de ahorro de energía, a partir de la segunda operación electrónica de su interruptor. Figura 2. Conexión correcta del condensador 4

5 En relación con la certificación de normas hay que tener en cuenta que la fotocélula electrónica es un producto de reciente fabricación y único en el mundo con estas características. Actualmente está patentado a nivel mundial y su número único de identificación está en trámite, por tal razón no existe una normatividad exclusiva (ANSI/IEC) aplicable a su funcionamiento de forma específica, y sus características de funcionamiento son certificadas con la combinación de estas. Una vez lograda la instalación del sistema en su conjunto, incluyendo la programación de las fotocélulas electrónicas, el seguimiento a realizar consistió básicamente en la toma de lecturas planificadas a los fines de recopilar la data y documentar la piloto. En ese sentido, el primer paso es la toma de lecturas del medidor de energía eléctrica para la observación de consumo de energía de la luminaria, el segundo paso corresponde a la toma de mediciones de intensidad lumínica, corriente de las fases F1 y F2, y voltajes de entrada y salida tanto de las fotocélulas convencionales como de las electrónicas. Este procedimiento fue acompañado de su correspondiente registro, así los registros realizados se detallan en las Tablas I, II y III. Tabla I. Resultados obtenidos con el Fotocontrol Convencional DIA FECHA HORA (Pm) ENERGIA I F1 I F2 (ENTRADA) (SALIDA) LUMEN (lm) CONSUMO IERNES 26/09/08 09: ,3 3, SABADO 27/09/08 09: ,1 3, DOMINGO 28/09/08 09: ,1 3, LUNES 29/09/08 09: , MARTES 30/09/08 09: , Tabla II. Resultados obtenidos con la Fotocélula Electrónica al 20% de Ahorro de Energía DIA FECHA HORA (Pm) ENERGIA KWh I F1 I F2 (ENTRADA) (SALIDA) LUMEN (lm) CONSUMO LUNES 06/10/08 09: ,6 2, MARTES 07/10/08 09: ,7 2, MIERCOLES 08/10/08 09: ,6 2, JUEES 09/10/08 09: ,7 2, IERNES 10/10/08 09: ,9 2, Tabla III. Resultados obtenidos con la Fotocélula Electrónica al 50% de Ahorro de Energía DIA FECHA HORA (Pm) ENERGIA I F1 I F2 (ENTRADA) (SALIDA) LUMEN (lm) CONSUMO MIERCOLES 01/10/08 09: , JUEES 02/10/08 09: ,9 2, IERNES 03/10/08 09: ,4 2, SABADO 04/10/08 09: ,2 2, DOMINGO 05/10/08 09: ,4 2,

6 A continuación una vez levantada la información de las variables de interés en campo, se procedió a agruparla y graficarla tal como se muestra en las siguientes figuras. En ese sentido, en la Figura 3, se puede observar que con la fotocélula electrónica se disminuye la intensidad de iluminación (lumen), manteniéndose en un nivel aceptable, además de satisfacer las necesidades visuales. Igualmente en la Figura 4, se comprueba que la fotocélula electrónica durante las primeras veinticuatro horas (24 h) de haber sido puesta energizada se comporta como un fotocontrol convencional, mientras que el reloj astronómico interno se ajusta la hora local de la región donde se instale. Después del periodo de adaptación, se observó el control ejercido de la fotocélula electrónica sobre el consumo energético. Figura 3. Registro de lumen (lm) Figura 4. Registro de Potencia (Kwh) En la Figura 5, se presentan los resultados del voltaje de salida, en el caso del fotocontrol convencional se aprecia la linealidad de la constante, lo cual indica que dicho elemento no ejerce control alguno sobre esta variable. Caso contrario ocurre con la fotocélula electrónica comprobando que a través del control de este parámetro logra efectos ahorradores de energía. Igual resultado se muestra en la Figura 6, en la cual destaca la disminución de la corriente promedio consumida, influyendo de forma directa sobre el consumo de energía. Figura 5. oltaje de Salida () Figura 6. Consumo Promedio de Corriente 6

7 ANALISIS ECONOMICO A los fines de desarrollar de forma elemental el siguiente ejercicio económico, se establecieron los siguientes parámetros, el costo total de la instalación de una fotocélula electrónica es de unos 45,45 US$, la vida útil de estos elementos, de acuerdo con especificaciones del fabricante, es de operaciones es decir alrededor de 13,7 años, el costo de la energía por concepto de Alumbrado Público es de 0,097 BsF/KWh, es decir 0,045 US$/KWh. En ese sentido, una vez establecidos los parámetros anteriores y partiendo de los valores registrados se obtuvo la Tabla I, en la que se señalan los valores de la energía consumidos por una (01) luminaria en un año y su correspondiente ahorro energético, según fue la programación establecida a cada fotocélula electrónica, al conocer el valor del ahorro en términos de energía y conocido el costo de la energía por dicho concepto, se determinó el ahorro por año en US$ por cada punto (luminaria), estimándose además dicho ahorro a un horizonte de diez (10) años. Tabla I. Estimaciones de Consumo y Ahorro de Energía por cada Fotocontrol Energía Media Consumida/ Punto (KWh/Día) Energía / Punto (KWh/Año) Ahorro Energía / Año (KWh/Año) Ahorro / US$ / Año (US$/Año) Ahorro / US$ / 10 Años (US$/10 Años) F Convencional F E al 20% Ahorro 3, ,59 65,87 F E al 50% Ahorro 2, ,05 230,54 Dado que la vida útil de estos dispositivos es de 13,7 años según el fabricante, tal como se muestra en la Tabla, se consideró importante desarrollar un flujo de caja con un horizonte de diez (10) años, en el que se realice el montaje de dos mil (2.000) fotocélulas electrónicas por año, logrando así la instalación de diez mil (10.000) unidades en cinco (05) años, numero aproximado de luminarias existentes en una ciudad promedio de trescientos mil habitantes. En ese sentido, se determinó que los valores de inversión se ubican por debajo de los valores de ahorro estimados en dicho horizonte. Tabla. Resultados del Flujo de Caja de la Inversión a Diez (10) años Año Total US$ Puntos Instalados Costo Inst (US$) Ahorro 20% (US$) Ahorro 50% (US$) Es importante mencionar que en el ejercicio anterior no se consideraron incidencias por inflación, incrementos en el precio de la energía y adicionalmente se consideró que la energía ahorrada por ese concepto fue vendida al mismo precio, es decir no fue utilizada en otros sectores de la economía con mejores precios de venta. 7

8 CONCLUSIONES Luego de realizar las mediciones a lo largo de tres (03) semanas, se procedió al análisis de la data levantada logrando determinar al final de la prueba piloto las siguientes conclusiones, igualmente al realizar un ejercicio básico financiero se determinó el margen de rentabilidad de dicho proyecto en un horizonte de diez (10) años. La fotocélula electrónica logró un ahorro energético en el sistema de Alumbrado Público piloto, efecto evidenciado en los registros de energía realizados, este ahorro se logra como consecuencia de la manipulación del voltaje y la corriente de consumo del sistema, consecuencia no permitida con el uso de los fotocontroles convencionales. La manipulación de las variables lograda con las fotocélulas electrónicas, influye de forma directa sobre la cantidad de iluminación brindada por la luminaria (lumen), como consecuencia de la programación de ahorro realizada sobre estos elementos. El ejercicio financiero indicó, que en un horizonte de 9 años para una programación del 20% de ahorro y de 4 años en el caso de un ahorro del 50%, es perfectamente factible alcanzar el punto de equilibrio del proyecto, permitiendo la liberación de bloques de energía disponibles para otras actividades del sector. RECOMENDACIONES De acuerdo al análisis y estudio del efecto de la fotocélula electrónica sobre el sistema piloto implementado, se recomienda su uso en las redes de Alumbrado Público de la empresa, ya que el mismo permite el ahorro de la energía eléctrica consumida actualmente por dicho concepto, manteniendo estándares de confort y seguridad. Igualmente se recomienda el uso de este fotocontrol de forma individual por luminaria, garantizando mayor continuidad en el servicio al afectar en caso de falla una sola luminaria, disminuyendo además las horas hombre de mantenimiento. Finalmente se recomienda programar la hora del inicio y la hora del final de la rampa de ahorro energético de la fotocélula electrónica, de acuerdo con las características propias de cada ciudad donde será implementado el sistema propuesto, especialmente cuando haya disminuido considerablemente el transito peatonal y vehicular. BIBLIOGRAFÍA [1] A. Acuña Fotocontroles SmartCell (Tecun - Nippon Trade de Colombia S.A. Colombia. Bucaramanga, 2008) [2] B. Campo Economía de la Empresa; Análisis de las Decisiones Empresariales un Enfoque de Organización (Pirámides. S.A., Madrid, 1998) [3] S. Chapman Maquinas Eléctricas (McGraw-Hill, Santa Fe de Bogotá, 2000) [4] Electrificadora de Santander ESSA Instalación de Fotocontroles con SRC (Bucaramanga Colombia, 2007) [5] M. Ereú Alumbrado Público, Criterio, Diseños y Recomendaciones (CYAN graphics c.a., Caracas enezuela, 2007) [6] A. Sotelo Conducción de Corrientes Eléctricas (Limusa, México, 1994) [7] R. ásquez Manual de Iluminación (ásquez, Lyon Francia, 2001) 8

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