Iluminación para las Ciudades Inteligentes

Transcripción

1 J. Marcos Alonso Universidad de Oviedo, España Campus de Viesques, Edificio 3, Sala Gijón, Asturias Introducción Revisión Tecnología LED: Características Problemas Térmicos Generación de Color y Luz Blanca Circuitos de Alimentación Iluminación para las Ciudades Inteligentes Ciudades Inteligentes: Características y Retos La Revolución LED Sistemas de Iluminación Inteligente Sistemas basados en PLT y ZigBee Proyectos desarrollados en la Universidad de Oviedo 1

2 Fuego Vela Quinqué Incandescente Descarga Lámpara de Estado Sólido (LED) Lumen Energía eléctrica (W) Radiación visible (W) Calor (W) Radiación no visible (IR, UV) (W) 2

3 Lámpara con IRC < 60 Lámpara con IRC > 80 Fuente Luz IRC Sol 100 Incandescente >95 Fluorescente 85 Sodio AP 25 Halogenuros Metálicos 80 LED Se emplea un filamento metálico, normalmente Wolfragmio El filamento se calienta a alta temperatura para producir luz Características: + Encendido instantáneo + Buena reproducción de los colores (IRC=100) - Bajo rendimiento luminoso (10-20 lm/w) - Vida Reducida (~2000 h) 3

4 Se abren nuevas expectativas para otro tipo de lámparas: Descarga: Fluorescentes, CFL, HID, Inducción Estado Sólido: LEDs Generación de luz por medio de interacción electrón átomo de sodio/mercurio El átomo excitado genera radiación UV/VIS que produce luz Características de lámparas de descarga: + Alto rendimiento luminoso: lm/w + Aceptable reproducción de los colores (IRC= 60-90) + Elevada vida útil ( h) - Necesidad de equipo de alimentación 4

5 Las lámparas de descarga precisan de un elemento limitador de corriente de descarga V Lámpara PF Balasto La inductancia limita la corriente en régimen permanente El condensador se emplea para corregir el factor de potencia del conjunto I + Bajo coste + Eficiencia aceptable - Elevado peso y volumen - Sin posibilidad de control de potencia Vapor de Sodio AP Vapor de Mercurio AP Halogenuros metálicos Vapor de Sodio BP 5

6 Unión P-N polarizada directamente Las cargas libres (e- y h+) circulan hacia la unión Algunas de las recombinaciones e-/h+ generan radiación visible (luz). Tipos de recombinación e-/h+: Recombinación radiante: genera un fotón de luz con energía igual a la anchura de la banda prohibida, E g = h f Recombinación no radiante: genera energía que se transforma en energía vibratoria en la estructura cristalina (fonón). Genera calor pero no luz. vibración e- Fotón red cristalina e- h+ h+ Recombinación Radiante Recombinación No Radiante No deseada Suele producirse debido a defectos en la red cristalina (dislocaciones, impurezas, etc.) 6

7 Elevada vida: 40, ,000 horas Tamaño reducido Robusto frente a vibraciones y choques Reencendido instantáneo Funcionamiento a baja tensión Fuente de luz puntual. Permite optimizar el sistema óptico. Posibilidad de generación de diferentes colores Los LEDs no emiten energía IR/UV Todas las pérdidas se transforman en calor La refrigeración se convierte en uno de los principales problemas 7

8 Eficacia de la Fuente de Luz (lm/w) 16/01/2014 LEDs de Luz Blanca Fuentes de Luz Tradicionales La tecnología LED está evolucionando espectacularmente en los últimos años 8

9 LED Blanco (0.1W) Na A.P. (400W) Halog. Metál. (35W) Fluorescente (40W) CFL (6W) Inc. Halógena (100W) Incandesc. (40W) Eficacia (lm/w) Luces de señalización en automóviles Retroiluminación en TV, Computador, etc. Señales Viarias Aplicaciones Arquitectónicas Iluminación viaria, portátil, escritorio, etc. 9

10 Principales aplicaciones en iluminación: Sustitución ( retrofit ) en aplicaciones domésticas Aplicaciones comerciales e industriales Escaparates, vitrinas refrigeradas, etc. La temperatura tiene una gran influencia en la eficacia luminosa del LED Debe limitarse la temperatura en la unión (T j ) Temperatura en la unión (T j ) 10

11 T J R JC Componente T C R CR Interfase T R R RA Refrigerador T A P (W) TJ TC TR TA RJC RCR RRA TA Determinación de la temperatura de la unión: T J = T A + P R JC + R CR + R RA Reducción de la resistencia térmica a lo largo del tiempo (a) (b) (c) (d) (e) 11

12 Al aumentar la corriente directa la eficacia disminuye Fenómeno aún en estudio Eficiencia Flujo A corrientes altas aumenta la generación de fonones. La eficacia disminuye. Variación de flujo no lineal con la corriente directa. Se investiga para desplazar el máximo de la eficiencia hacia niveles de corriente más altos Factores que afectan a la eficacia del LED Variación LED Blanco Frío IRC=70 (top performance bin) Base = 100 General (average performance bin) - 20% Blanco cálido + IRC=80-10% Incremento de temperatura: 25ºC -> 85ºC - 20% Eficiencia del sistema de alimentación (driver) - 15% Eficiencia de la luminaria/sistema óptico -5% -> -15% 100 lm 80 lm 70 lm 50 lm 35 lm 25 lm 12

13 Diferentes mezclas de semiconductores generan diferentes colores Materiales empleados: In, Ga, N, Al, P, As, etc. Como generar luz blanca? Imprescindible para aplicaciones de iluminación en general 13

14 Emisión Normalizada 16/01/2014 G R Luz Blanca B La mezcla de Rojo (R), Azul (B) y Verde (G) genera luz blanca Longitud de Onda (nm) La temperatura de funcionamiento afecta al espectro Esto produce variaciones en la temperatura de color 14

15 Conversión en Volumen Partículas dispersas en el molde/recipiente Blue Yellow Cool Conversión en Chip Capa de fósforo sobre la superficie del Chip Warm La luz azul estimula la emisión de luz amarilla por parte del fósforo 15

16 Lámpara Convencional Pérdidas debidas a baja reflexión Lámpara LED Pérdidas debidas a apantallamiento de la propia lámpara Pérdidas debidas a absorción Fugas del reflector No hay pérdidas de reflexión La luz se emite solamente hacia la mitad del espacio Mejora de la eficiencia óptica: ~ 30% En muchas ocasiones la luz de los LEDs puede resultar demasiado direccional Se emplean diferentes tipos de ópticas Lentes Reflectores Simples Reflectores TIR Reflector + Lente Tradicional Fresnel Ópticas de amplia apertura Ópticas de acción lateral 16

17 Corriente LED 16/01/2014 Limitación de corriente por resistencia typ min max R LIM I LED V BAT LED + - V LED I LED = (V BAT-V LED )/R LIM Tensión LED Muy simple. Bajo coste. No genera EMI Ineficiente. Bajo rendimiento. Regulación de corriente pobre. Variación con tensión en entrada, tensión LED, temperatura, etc. No adecuado para corrientes altas Fuente de Corriente Lineal PWM Lineal Fuente de Corriente Conmutada ILED RLIM ISRC VBAT LED VBAT PWM LED V BAT Control RS Regulación de corriente Simple. Pocos componentes Baja eficiencia No hay generación de EMI Control de potencia Variación de flujo luminoso Empleado para evitar cambio en la Tª de color Corriente de pico controlada Bajas pérdidas. Alta eficiencia Mayor número de componentes Mayor coste Regulación de corriente Generación de EMI Posibilidad de incorporación de otras funciones 17

18 Corriente ajustable hasta 500 ma (± 5%). Regulación PWM. Tensión de entrada hasta 42V Baja caída de tensión. Protecciones: circuito abierto, cortocircuito, térmica y polaridad inversa. Amplio rango de temperatura: -40 ºC 150 ºC Buck Función de transferencia Tensión de Salida Ciclo de Trabajo Boost Buck-Boost SEPIC 18

19 Controlador por Histéresis para LEDs de Alta Potencia P MOSFET Buck Sensor Control por histéresis (6% precisión) Tensión de entrada: 4.5V 35V Frecuencia de conmutación hasta 1.5 MHz Límite de corriente programable Dimming analógico o PWM Aplicaciones: Driver para LED Cargador de Baterías Las Ciudades en la actualidad En el año 2050 Superficie Terrestre Población Mundial Consumo Energía Mundial Emisiones Globales CO 2 2 % 50 % 75 % 80 % 70 % Población Mundial 85 % Consumo Energía Mundial Para el año 2050 la gran mayoría de los recursos energéticos serán consumidos en áreas urbanas. 19

20 Aumento de la población Mejora de la seguridad de los ciudadanos Mejora en gestión de residuos Aumento de la demanda energética Mejora en sistemas de transporte urbano Identidad Propia: atracción de talento e inversión Mejora de la conectividad por medio de TICs La iluminación artificial es un elemento esencial Afecta a la seguridad pero también al ambiente Representa incluso la identidad de la Ciudad El consumo eléctrico en iluminación ronda el 20% Una gran parte de los sistemas de iluminación emplean tecnología obsoleta La instalación de nuevos sistemas puede producir ahorros de hasta el 60% 20

21 Según el informe LED Lighting Revolution de la compañía Philips, cambiar la tecnología actual a tecnología LED permitiría: Según el informe Lighting the Cities European Commission, 2013: En Europa existen más de 90 millones de puntos de luz El 75% de las instalaciones tienen más de 25 años Existe una inmensa posibilidad de ahorro energético basado en tecnología LED Objetivo de la Unión Europea: reducir consumo energético en 20% para Esto incluye una reducción del 20% en iluminación La UE considera la tecnología LED como una tecnología madura. Empleando sistemas inteligentes (tecnología digital + comunicaciones) se pueden conseguir ahorros de hasta el 70%. Financiación basada en ahorro de energía 21

22 Según el informe LED Lighting Revolution : 9 de cada 10 ciudadanos prefirieron la iluminación LED 8 de cada 10 ciudadanos se sintieron más seguros con el nuevo sistema de iluminación LED Ejemplos: Birmingham - UK Hódmezővásárhely - Hungría Inspección Física de los sistemas Monitorización Remota Mapeado y archivado en papel Nivel de iluminación fijo Facturación Manual/basada en estimaciones Mapeado digital empleando bases de datos abiertas Nivel de iluminación adaptable a las condiciones Facturación automática - inteligente 22

23 Tecnología basada en comunicaciones por red eléctrica (PLT): No precisa nueva infraestructura Inmune a inclemencias meteorológicas Red de comunicación dedicada. No interferencias con otros sistemas. ZigBee es una red inalámbrica con estructura en malla empleada en monitorización y control de sistemas. Fiable y robusta (auto-reparable) Interoperable (diversos fabricantes) Simple (auto-configurable) Flexible (topología en malla) Segura (encriptado) 23

24 Sistema de gestión central con bases de datos y servicios WEB Controlador de Grupo Hasta 150 Nodos por Controlador de Grupo Red ZigBee Diversas opciones de antena: 2/10/50 mw Gestor WEB 2 mw 100 m Distancia entre farolas Lámpara Balasto Controlador de luminaria Medio de comunicación dedicado. Emplea cableado existente. Inmune a obstáculos/cambios meteorológicos, temperatura, etc. Buena relación coste/prestaciones. Sensible a ruido en la red causado por otras cargas. Limitación en el número de bandas de comunicación (A-D). Requiere conocimiento de la red de distribución (trafos, cuadros, etc.). Múltiples canales de comunicación No requiere conocimiento de la red eléctrica (trafos, cuadros, etc.) Inmune a ruido eléctrico en la red Mayor velocidad de comunicación que PLT (bits/sec) Sensible a cambios meteorológicos, obstáculos, etc. Comparte medio con otros sistemas Wireless. Medio abierto, riesgo de intrusismo. 24

25 INTERRUPTOR PRINCIPAL LINEA AC DE ILUMINACIÓN COMM. FILTER INTERRUPUTORES DE SALAS Sistema de Iluminación con Control por Red Eléctrica POWER LINE #1.1 #1.2 #1.3 #2.1 #2.2 #2.3 SALA 1 SALA 2 PC NODO MAESTRO PC ADAPTER #3.1 #3.2 #3.3 SALA 3 Los cables de red se emplean como canal de comunicación Instalación muy simple Útil para implementar cualquier estrategia de control Lámparas Red Etapa CFP 400V DC Bus Inversor Comm. Bus FREC. Estado LP1, LP2 Transceptor Power Line Microprocesador Neuron Chip CLK 10MHz 25

26 26

27 Alonso, J. M., Ribas, J., Coz, J. J. D., Calleja, A. J., Corominas, E. L., & Rico-Secades, M. (2000). Development of a distributive control scheme for fluorescent lighting based on LonWorks technology. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 47(6),

28 1990 Incandescente Fluorescente 2005 LED Alto desgaste Baja eficiencia Volumen de baterías alto Baterías Plomo-Acido Riesgo de fugas de líquidos nocivos Menor desgaste Mayor eficiencia Menor volumen de baterías Baterías Ni-Cd Mayor seguridad Alta eficiencia Mayor vida de la lámpara Mayor fiabilidad Alimentación simple Facilidad de fabricación en serie Soporta vibraciones Batería para almacenamiento de energía Cargador de batería Circuito de alimentación en modo permanente Circuito de alimentación desde batería Circuitería adicional: detección de fallo de red, etc. Aplicación ideal para iluminación LED 28

29 LUMILED LXHL-PW01 Chip Azul InGaN + Fósforo MONTAJE Potencia: 1W Tensión: 3.42V Corriente: 350 ma Flujo mínimo: 14 lm Conexión en serie, 4 LEDs: 14.4V/350 ma Lumenes iniciales: 4*14 = 56 lm Corrección térmica: 0.9*56= 50.4 lm Corrección vida útil (50kh): 0.8*50.4 = 40.3 lm Pérdida luminaria: 0.85*40.3 = 34.3 lm Flujo mínimo requerido: 30 lm 29

30 Halógena 50W LED 12W 800 lm Bridgelux BXRA-W802 Limitación de Corriente por Resistencia Corriente media LED: Rizado de corriente LED: Eficiencia: Eficiencia: 75% Eficiencia Total (inc. trafo): 50% 30

31 Convertidor Buck-Boost Control Lazo Cerrado Prototipo de Laboratorio Investigación en sistemas de alumbrado público de alta eficiencia, con capacidad de generación y almacenamiento de energía, funcionamiento autónomo y suministro de energía a la red de distribución Panel Solar Alumbrado con generación. Conectado a RED Generador Eólico Alumbrado Autónomo. Sin Conexión a RED Luminaria Luminaria RED ELÉCTRICA 31

32 Elementos del Sistema con Conexión a RED Elementos del Sistema Autónomo Aplicación en Sistemas de Iluminación Pública Convertidor Integrado Buck-Boost-Buck Array Bridgelux 2x50W Total: 100 W/10 klm Sustituye a HPS 150W Tensión y Corriente LEDs Tensión y Corriente RED 32

33 Driver alimentado desde RED de alterna con comunicación DALI Convertidor PFC DC-DC Buck Driver ZETEX ZXLD1350 IC Convertidor PFC Driver 4 canales con MCU/DALI 33

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35 Panel solar de capa fina Generador Eólico Tipo Savonius Baterías Ion-Li Muchas Gracias por su Atención Preguntas? Campus de Viesques, Gijón Asturias, España Asturias Gijón 35