Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 25-09-2019, Aprobado tras revisión: 20-01-2020
Forma sugerida de citación: Jiménez, D.; Proaño, X. (2020). “Diseño de un Sistema de Alumbrado LED a través de Energía
Fotovoltaica para Brindar Niveles de Calidad de Iluminación en el Parqueadero N° 1 de la Universidad Técnica de Cotopaxi”.
Revista Técnica “energía”. No. 16, Issue II, Pp. 158-167
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
© 2020 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Design of a LED Lighting System through Photovoltaic Energy to Provide
Levels of Lighting Quality in the Parking Lot N° 1 of the Technical University
of Cotopaxi
Diseño de un Sistema de Alumbrado LED a través de Energía Fotovoltaica
para Brindar Niveles de Calidad de Iluminación en el Parqueadero N° 1 de la
Universidad Técnica de Cotopaxi
D.D. Jiménez
1
X.A. Proaño
1
1
Universidad Técnica de Cotopaxi, Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas, Latacunga, Ecuador
E-mail: diego.jimenez1@utc.edu.ec; xavier.proano@utc.edu.ec
Abstract
In the present project was done the design and
analysis of a system of external illumination by
means of technology LED, was carried out which is
energized by means of concentrated photovoltaic
generation. Considering that, in the parking lot,
there is an average illumination lower than the
permitted, levels, is proposed to improve the lighting
through the Dialux evo software, obtaining the
following results from this design: 518 lx for access,
132,83 lx in the circulation strip and 113,75 lx in
parking spaces, in accordance with the NTE INEN 2
248 standard, whose electric power density for
lighting is 1,88 W/m
2
. Through a bibliographic
research, the technical data of the LED luminaires of
245 W and 134 W were compiled, with a luminous
efficiency of 145 lm/W and 146 lm/W respectively. In
addition, the photovoltaic system consists of 28
monocrystalline panels of 360 W/24 V, the
accumulation system will consist of 28 deep
discharge batteries at 240 Ah/12 V, two PWM load
controllers of 110 A/48 V and the inverter of 5 000
VA/48 V. With a new value for the kWh of USD
0,681 2 it is possible to have a VAN of $ 66 525,60
and the TIR equal to 25,35 %, indicating that the
project is profitable.
Index terms Battery, electrical power density,
concentrated photovoltaic generation, inverter,
monocrystalline panel, regulator, LED technology,
TIR and VAN.
Resumen
En el presente trabajo se realizó el diseño y análisis
de un sistema de iluminación exterior mediante
tecnología LED, el cual es energizado por medio de
generación fotovoltaica concentrada. Considerando
que, en el estacionamiento se cuenta con una
iluminación media inferior a los niveles permitidos,
se propone la mejora del alumbrado a través del
software Dialux evo, obteniendo de este diseño los
siguientes resultados: 518 lx para el acceso, 132,83 lx
en la franja de circulación y 113,75 lx en plazas de
estacionamiento, acordes a la normativa NTE INEN
2 248, cuya densidad de potencia eléctrica para
alumbrado es de 1,88 W/m
2
. Mediante una
investigación bibliográfica se recopiló los datos
técnicos de las luminarias LED de 245 W y 134 W,
con un eficiencia luminosa de 145 lm/W y 146 lm/W
respectivamente. Además, el sistema fotovoltaico
está conformado por 28 paneles monocristalinos de
360 W/24 V, el sistema de acumulación constará de
28 baterías de descarga profunda a 240 Ah/12 V, dos
reguladores de carga PWM de 110 A/48 V y el
inversor de 5 000 VA/48 V. Con un nuevo valor para
el kWh de USD 0,681 2 se logra tener un VAN de $
66 525,60 y el TIR igual a 25,35 %, indicando que el
proyecto resulta rentable.
Palabras clave Batería, densidad de potencia
eléctrica, generación fotovoltaica concentrada,
inversor, panel monocristalino, regulador, tecnología
LED, TIR y VAN.
158
Edición No. 16, Issue II, Enero 2020
1. INTRODUCCIÓN
Una de las necesidades para lograr la comodidad y el
buen vivir es una iluminación LED alimentada por
medio de energía fotovoltaica con niveles de calidad y
sin producir mayores efectos negativos al medio
ambiente, contribuyendo a la reducción del consumo
energético, por consiguiente, si se reduce el consumo de
energía de la respectiva instalación eléctrica se
minimizaran los egresos de dinero para la entidad
beneficiada.
Actualmente, la iluminación exterior en el
parqueadero N° 1 de la Universidad Técnica de
Cotopaxi no cuenta con los adecuados niveles
lumínicos, así pues, genera incomodidades e
inseguridad en los usuarios. Por otra parte, un ineficaz
flujo luminoso que cubre una determinada superficie
comprometería el estado de bienestar físico del
individuo debido a la inseguridad. Sin embargo esta
fuente de luz artificial carece de autonomía, razón por la
cual es necesario añadir un sistema de suministro de
energía eléctrica, de ahí que para poder alimentar las
lámparas se requiere un sistema de energía fotovoltaica.
En conclusión mediante la tecnología LED se obtiene
un sistema de iluminación eficiente que conjuntamente
con el sistema fotovoltaico se contribuye al cuidado del
medio ambiente.
2. METODOLOGÍA
2.1. Definición y Conceptos Básicos de Iluminación
2.1.1 Deslumbramiento
Es aquel efecto que reduce la capacidad visual de un
individuo como consecuencia del exceso de luminancia
y se mide dependiendo de la actividad que el usuario
este realizando, si la misma es de pie, la compensación
de altura es de 1,50 metros [1].
2.1.2 Uniformidad de iluminancia
Indica la variación que presenta la iluminación sobre
una determinada superficie o plano, y se expresa como
la relación entre la iluminancia mínima y la promedio
[2].
2.1.3 Iluminación
La iluminación o iluminancia se define como el flujo
luminoso que cubre una determinada superficie a
iluminar y su unidad de medida es el LUX (lx) [2].
2.2. Densidad de Potencia Eléctrica para
Alumbrado (DPEA)
El cálculo de la DPEA se realiza a partir de la carga
total conectada para alumbrado expresada en vatios y
del área total por iluminar en metros cuadrados [2].
2
ga total conectada para alumbrado
total iluminad
Car W
DPEA
Á area m
(1)
2.3. Método Punto por Punto
Para la aplicación de este método se requiere saber
con exactitud la posición en el espacio de la superficie a
iluminar. Se subdivide la superficie en rectángulos
iguales de áreas suficientemente pequeñas y así calcular
la iluminancia media mediante la ecuación (2) [3].
i
m
E
E
n
lx
(2)
donde:
E
m
: Iluminación media.
E
i
: Iluminación en cada punto sobre el plano horizontal.
n: Número total de puntos a evaluar.
2.4. Cálculo de la Irradiación Global Diaria sobre la
Superficie del Generador
Para determinar la inclinación optima se emplea la
ecuación (3) [4].
3,7 0,69
opt
(3)
donde:
:
opt
Ángulo de inclinación óptima (grados).
:
Latitud del lugar, sin signo (grados).
La constante K si el período de diseño es el mes de
diciembre tendrá un valor de 1,7 y en julio será de 1 [4].
Si no es posible situar el sistema fotovoltaico de
acuerdo a la inclinación óptima, se aplicara un
coeficiente de reducción de la energía denominado
factor de irradiación [4].
2
4
1 1,2 10
opt
FI
(4)
donde:
FI: Factor de irradiación (sin unidades).
:
Inclinación real de la superficie (°).
:
opt
Inclinación óptima de la superficie (°).
Mediante la ecuación (5) se determinar el valor
medio mensual de irradiación diaria sobre la superficie
del generador [4].
2
/,0
dm dm
G G K FI FS Wh m
(5)
donde:
FS: Factor de sombreado, si en la localidad del proyecto
no existe presencia de sombras su valor es de 1 (sin
unidades).
159
Jiménez et al. / Diseño de un Sistema de Iluminación LED a través de Energía Fotovoltaica
2.5. Cálculo de los Parámetros Eléctricos del
Generador
Si el sistema fotovoltaico dispone de inversor,
batería y regulador de carga el coeficiente PR será de
0,6, en el caso de un sistema con batería y regulador de
carga equivaldrá a 0,7 [4].
El valor mínimo de potencia del generador
fotovoltaico se calcula mediante la siguiente expresión
[4]:
min
,
d CEM
G
dm
WG
P
G PR
(6)
donde:
P
G min
: Potencia mínima del generador (W).
G
CEM
: Irradiancia en condiciones CEM (constante de
valor 1 000 W/m
2
).
Wd: Consumo de energía diario (Wh).
Número de módulos:
minG
ps
máx
P
NN
P
(7)
donde:
N
p
: Número de paneles en paralelo (unidad).
N
s
: Número de paneles en serie (unidad).
P
máx
: Potencia máxima del generador.
Potencia total del generador:
Gpxxsmá má
P N P N W
(8)
Tensión de circuito abierto del generador:
Gsoc oc
VU N U
(9)
Intensidad de cortocircuito del generador:
Gpsc sc
AI N I
(10)
Tensión máxima del generador:
G s mmpp pp
VU N U
(11)
Intensidad máxima del generador:
G p mmpp pp
AI N I
(12)
donde:
U
oc
: Tensión de circuito abierto (V).
I
sc
: Corriente en cortocircuito (A).
U
mpp
: Tensión punto de máxima potencia (V).
I
mpp
: Corriente punto de máxima potencia (A).
2.6. Dimensionado del Banco de Baterías
La capacidad del sistema de acumulación se calcula
a partir del consumo medio diario [4].
d
d
n
W
Q
U
(13)
donde:
Qd: Consumo medio diario (Ah/día).
Un: Tensión nominal del sistema de acumulación (V).
Por consiguiente, la capacidad total del sistema de
acumulación se calcula mediante la siguiente expresión
[4].
d
n
máx inv rb
QA
C
PD
(14)
donde:
Cn: Capacidad de la batería de acumuladores para
descarga en 20 horas (Ah).
A: Días de autonomía del sistema (días).
PD
máx
: Profundidad de descarga máxima. En tanto por
uno.
:
inv
Rendimiento del inversor del 85 %. En tanto por
uno.
:
rb
Rendimiento del conjunto de batería y regulador
de carga del 80 %. En tanto por uno.
2.7. Dimensionado del Regulador de Carga
La tensión nominal del regulador de carga deberá ser
igual a la designada para el banco de baterías. La
intensidad nominal I
R
es el valor de la intensidad de
cortocircuito del sistema fotovoltaico I
G sc
, considerando
un factor de seguridad de 1,25 [4].
Se deberá verificar que la tensión máxima en la
entrada U
R
no sea inferior a la tensión máxima de
circuito abierto del generador fotovoltaico U
Goc
, a la
temperatura más desfavorable de las células del módulo
[4].
2.8. Dimensionado del Inversor
La tensión nominal de entrada tiene que coincidir
con la tensión nominal del sistema de acumulación, U
n
.
La potencia nominal del inversor S
n
se determina en
base a la carga instalada del circuito de utilización y
considerando un factor de potencia igual a uno, la
misma se expresa en VA [4].
160
Edición No. 16, Issue II, Enero 2020
2.9. Cálculo de los Conductores y Caídas de Tensión
del Sistema Fotovoltaico Autónomo
En cada tramo se debe considerar el valor de la
intensidad multiplicado por un factor de 1,25 debido a
que todos los cables de conexión deberán estar
dimensionados para una intensidad no inferior al 125 %
de la máxima corriente del generador, en la Fig. 1 se
indica gráficamente cada uno de los tramos [4].
Figura 1: Tramos de Línea en un Sistema Fotovoltaico Aislado sin
considerar los Dispositivos de Protección
La máxima caída de voltaje que deberá existir entre
el sistema fotovoltaico y la caja general de mando y
protección será de 1,5 % para la corriente nominal. En
los circuitos de CC y CA se emplea la ecuación (15),
con una diferencia que para el sistema fotovoltaico el
término
cos
no se considera [4].
% 90
200 cosLI
S
UU
(15)
donde:
S: Sección del conductor (mm
2
).
90
:
Conductividad del conductor a la temperatura de
servicio 90 °C (45 s m/mm
2
).
%
:U
Máxima caída de tensión permitida en porcentaje
de la tensión de la línea (V).
L: Longitud de la línea (m).
I: Intensidad de la línea (A).
U: Tensión de la línea (V).
cos :
Factor de potencia de la carga al final de la línea.
2.10. Aparatos de Maniobra y Protección de un
Sistema Fotovoltaico Autónomo
En el caso de fusibles se dimensionan para actuar
entre 1,5 y 2 veces la corriente de cortocircuito de un
módulo solar (I
sc
). Se debe verificar que la tensión
asignada al fusible soporta 1,2 veces la tensión de
circuito abierto del generador (U
Goc
) [4].
El interruptor general del sistema fotovoltaico se
dimensiona para soportar la corriente de cortocircuito
del generador (I
G sc
) y la tensión de circuito abierto del
sistema fotovoltaico (U
Goc
) [4].
Los fusibles en el tramo regulador de carga-sistema
de acumulación se dimensionan para soportar entre 1,5
y 2 veces la corriente del generador (I
G sc
) y 1,2 veces la
tensión de circuito abierto del sistema fotovoltaico
(U
Goc
) [4].
Para tramos en corriente alterna las protecciones son
mediante interruptores automáticos magnetotérmicos e
interruptores diferenciales, su dimensionamiento se lo
lleva a cabo para que soporte la corriente de salida del
inversor y tensión nominal del circuito de utilización
[4].
3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
3.1. Evaluación de los Niveles de Iluminación según
la Normativa NTE INEN 2 248
La toma de datos de los niveles de iluminancia
mediante el luxómetro Digisense 20 250-00, se efectuó
en el centro de cada rectángulo o figura geométrica
irregular debidamente enumerada como se aprecia en la
Fig. 2. El sensor se ubicó a una altura de 15 cm en
posición horizontal según la normativa RTE INEN 069.
SECCIÓN E
SECCIÓN C
SECCIÓN D
SECCIÓN A
SECCIÓN B
Figura 2: Puntos de Medición para Estudio de Iluminación
La Tabla 1 muestra los resultados del estudio de
iluminancia a través del método punto por punto.
Tabla 1: Estudio de Iluminancia por Sección
Sección
Descripción
Iluminación
media (lx)
Criterio de
aceptación
(lx)
Cumple
NTE
INEN
2248
A
Acceso
10,90
500 – 1 000
NO
Franja de
circulación
6,01
90 – 160
NO
Plazas de
estacionamiento
extremo
izquierdo
8,81
30 – 100
NO
Plazas de
estacionamiento
extremo derecho
4,65
NO
B
Franja de
circulación
18,44
90 – 160
NO
Plazas de
estacionamiento
extremo
izquierdo
13,68
30 – 100
NO
161
Jiménez et al. / Diseño de un Sistema de Iluminación LED a través de Energía Fotovoltaica
Plazas de
estacionamiento
extremo derecho
20,71
NO
C
Franja de
circulación
40,89
90 – 160
NO
Plazas de
estacionamiento
extremo
izquierdo
13,52
30 – 100
NO
Plazas de
estacionamiento
extremo derecho
63,90
SI
D
Franja de
circulación
6,11
90 – 160
NO
Plazas de
estacionamiento
extremo derecho
9,88
30 – 100
NO
Plazas de
estacionamiento
buses
1,90
NO
E
Franja de
circulación
12,95
90 – 160
NO
Plazas de
estacionamiento
buses
3,93
30 – 100
NO
Mediante los resultados obtenidos se constató que
los niveles actuales de iluminancia en el
estacionamiento en su mayoría no cumplen con la
normativa vigente, lo cual se debe principalmente a una
mala distribución de las luminarias en el extremo
derecho del parqueadero, afectando directamente la
visibilidad en la franja de circulación vehicular y en las
plazas de parqueo.
El extremo izquierdo del aparcamiento tiene tres
luminarias y solo dos lámparas se encuentran en
funcionamiento, por otra parte, la ruta de acceso posee
únicamente un reflector. Por consiguiente estos factores
afectan negativamente en la calidad de los niveles de
iluminación.
3.2. Diseño del Sistema de Iluminación LED
mediante el Software Dialux Evo v.8.1
Una primera etapa consistió en la modelación del
aparcamiento que se tomó como base para la
implementación de las luminarias LED, en la Fig. 3 se
puede evidenciar el modelo final del estacionamiento.
Figura 3: Sistema de Iluminación LED
En la Tabla 2 y Tabla 3 se presenta los resultados de
los criterios de calidad según el software Dialux evo.
Tabla 2: Resultados Iluminación Media
Sección
Descripción
Iluminación
media (lx)
Cumple NTE
INEN 2248
A
Acceso
518
SI
Franja de circulación
180
SI
Plazas de
estacionamiento
extremo izquierdo
94
SI
Plazas de
estacionamiento
extremo derecho
126
SI
B
Franja de circulación
141
SI
Plazas de
estacionamiento
extremo izquierdo
122
SI
Plazas de
estacionamiento
extremo derecho
115
SI
C
Franja de circulación
129
SI
Plazas de
estacionamiento
extremo izquierdo
113
SI
Plazas de
estacionamiento
extremo derecho
111
SI
D
Franja de circulación
109
SI
Plazas de
estacionamiento
extremo derecho
120
SI
E
Franja de circulación
1
113
SI
Franja de circulación
2
125
SI
Plazas de
estacionamiento buses
109
SI
Tabla 3: Resultados Uniformidad y Deslumbramiento
Sección
Descripción
Índice de
uniformidad
(
0,50)
Límite de
deslumbramiento
(
50)
A
Acceso
0,75
38
Franja de
circulación
0,60
47
Plazas de
estacionamiento
extremo izquierdo
0,56
39
Plazas de
estacionamiento
extremo derecho
0,82
45
B
Franja de
circulación
0,77
38
Plazas de
estacionamiento
extremo izquierdo
0,68
38
Plazas de
estacionamiento
extremo derecho
0,79
35
C
Franja de
circulación
0,77
38
Plazas de
estacionamiento
extremo izquierdo
0,71
37
Plazas de
estacionamiento
extremo derecho
0,72
38
D
Franja de
circulación
0,71
38
Plazas de
estacionamiento
extremo derecho
0,89
32
162
Edición No. 16, Issue II, Enero 2020
E
Franja de circulación 1
0,61
36
Franja de circulación 2
0,79
31
Plazas de estacionamiento buses
0,56
36
Como se aprecia en la Fig. 2, el estacionamiento
presenta una forma geométrica irregular, conformado
por secciones a iluminar de áreas considerablemente
amplias y diferentes entre sí, por lo tanto, para alcanzar
los niveles de calidad establecidos en la norma NTE
INEN 2248 para franjas de circulación (90 – 160) lux,
se superó los limites lumínicos en cuanto a plazas de
estacionamiento (30 – 100) lux como se aprecia en la
Tabla 2.
En la franja de circulación correspondiente a la
sección A se obtiene una iluminación media de 180 lux,
esto se debe principalmente, a que, en el acceso según
normativa se debe tener como mínimo 500 lux, lo que
ocasiona un incremento en los niveles de iluminación de
esta sección.
Según los resultados de la Tabla 3 la nueva
configuración del sistema de alumbrado que se aprecia
en la Fig. 3, presenta índices de deslumbramiento
inferiores al límite máximo permitido (
50) con una
uniformidad óptima, y por lo tanto ofreciendo niveles de
calidad de iluminación.
3.3. Densidad de Potencia Eléctrica (DPEA)
El sistema de iluminación LED cuenta con 22
luminarias, de la cuales, 4 son destinadas para el acceso
con una potencia de 245 W, 18 para plazas de
estacionamiento y franja de circulación con una
potencia de 134 W, el área total iluminada corresponde
a 1 799,69 m
2
.
22
3 392
1,88
1 799,69
W
DPEA
mm
W
3.4. Cálculo del Sistema Fotovoltaico Autónomo
El proyecto estará situado en la terraza de las
instalaciones del bloque antiguo de la UTC y se divide
en 5 áreas útiles, ocupando el área 1 de 126,83 m
2
para
la ubicación de los equipos del sistema fotovoltaico. A
continuación se presenta los equipos seleccionados
dentro del diseño (véase Tabla 4).
Tabla 4: Equipos Principales del Proyecto
Tipo de Equipo
Capacidad
Ítem
Cantidad
Panel fotovoltaico
360
W
28
Batería
240
Ah
28
Regulador de carga
110
A
2
Inversor
5 000
VA
1
3.5. Cálculo de los Conductores y Caídas de Tensión
Se comprueba si la caída de tensión en la trayectoria
más desfavorable que comprende los tramos 1, 2, 4 y 5
(ver Fig. 1) se encuentra dentro de los límites
establecidos de 1,5 %.
% %1 %2 %4 %5
U U U U U
%
0,485 0,694 0, % % 162 0,16% % 1,5 2 0%U
Para el tercer tramo será la suma de los tramos 1 y 2.
%3 %1 %2
0,485 % 1,180,694 % %U U U
3.5.1 Cálculo de la sección del conductor eléctrico por
caída de tensión
El factor de potencia para el tramo 5 en AC se
ignora de la ecuación (15), puesto que se supone un
valor de 1, en la Tabla 5 se indican los resultados.
Tabla 5: Sección del Conductor por Caída de Tensión
Tramo
Sección (mm
2
)
S
1
3,47
S
2
24,32
S
3
6,65
S
4
39,17
S
5
8,12
3.5.2 Cálculo de la sección del conductor eléctrico por
calentamiento
Debido a que los tramos 1 y 2 se encuentran
instalados en canaleta cerrada se debe considerar una
temperatura de 50 °C, por lo tanto, el factor de
corrección que se deberá aplicar equivale a 0,89.
Como en el tramo 1 existen 7 circuitos dentro del
mismo conducto el factor de corrección es de 0,5. En la
Tabla 6 se puede visualizar la nueva sección.
Tabla 6: Sección del Conductor por Calentamiento
Tramo
Sección (mm
2
)
S
1
4
S
2
25
Estos resultados se comparan y se elige el de mayor
valor para establecer la sección comercial (ver Tabla 7).
Tabla 7: Secciones Comercial de los Conductores
Sección
por tramo
Caída de
tensión
(mm
2
)
Calentamiento
(mm
2
)
Sección
comercial
(mm
2
)
S
1
3,470
4
4
S
2
24,321
25
35
S
3
6,653
16
16
S
4
39,170
50
50
S
5
8,120
4
10
3.6. Aparatos de Maniobra y Protección del Sistema
Fotovoltaico Autónomo
3.6.1 Protección del generador
Se procede a calcular el calibre del fusible (I
F
) y la
tensión asignada (U
F
).
9,61 9,5 14,535 , 15
F sc
II AA
9,69 19,382 2
F sc
I AAI
1
951, ,32 1,2 114,36
F G oc
UU VV
163
Jiménez et al. / Diseño de un Sistema de Iluminación LED a través de Energía Fotovoltaica
Con estos factores se escoge un cartucho fusible de
15 A/ 1 100 V DC (gPV) cilíndrico de 14
51 mm.
3.6.2 Interruptor general del sistema fotovoltaico
Su dimensionamiento se lo hace determinando la
intensidad nominal (I
n
) y tensión nominal (U
n
) del
interruptor general.
I
n
I
G1 sc
= 67,83 A
U
n
U
G1 oc
= 95,3 V
Por lo tanto se escoge un interruptor seccionador
bipolar de 100 A/ 1 000 V DC
3.6.3 Protección de la batería de acumuladores
Se instalará una base portafusibles en el positivo con
su respectivo cartucho fusible.
1
67,81,5 3 101,7451, 5
F G sc
II AA
1
67,83 135,62 6 2
F G sc
I AI A
1
951, ,32 1,2 114,36
F G oc
UU VV
Con estos factores se escoge un cartucho fusible de
110 A/1 000 V DC (gPV).
3.6.4 Protección del inversor
El interruptor magnetotérmico y el interruptor
diferencial cumplirán con las siguientes características:
I
n
I
inv ca
= 22,727 A
U
n
= 220 V
Por tanto se elige un interruptor automático bipolar
de 25 A/230 V y un interruptor diferencial bipolar de 25
A/240 V, con una sensibilidad de 30 mA. La Fig. 4
muestra el esquema eléctrico del sistema fotovoltaico.
CAJA DE CONEXIONES DEL
GENERADOR FOTOVOLTAICO
-T2
-W5,
ESQUEMA ELÉCTRICO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO
-Q6
-W8
-Q1,
-W6
-Q4
-W8
PANEL
PV7
PANEL
PV2
-W1,
-Q3
Sistema de Iluminación LED a través de energía fotovoltaico
-W7
-T1
-Q2
-Q5,
Canaleta con tapa+14 (1x4 mm²) ZZ-F (AS) 0,6/1 kV
REGULADOR
-Q6
CAJA GENERAL DE MANDO Y PROTECCIÓN
DEL CIRCUITO DE UTILIZACIÓN
PANEL
PV10
-Q4
-F9
-T3
PANEL
PV12
PANEL
PV1
-W7
-F13
-T1,
-T2
Interruptor magnetotérmico bipolar de 25 A/230 V CA
-C1
-C1
Interruptor magnetotérmico bipolar de 6 A/230 V CA
-G2
-Q3
SÍMBOLO
-W3
-F11
-W4
TIPO
-W5
7 baterías en paralelo y 4 en serie de 12 V - 240 Ah
-W6
-Q5
PANEL
PV9
2 reguladores de 48 V - 110 A
PANEL
PV4
Inversor 5000 VA - 48 V CC / 230 V CA
-F15,
-F16
Alumbrado LED
Interruptor diferencial bipolar de 25 A/240 V CA
Nombre del archivo: Esquema eléctrico.dwg
14 seccionadores portafusibles de 15 A gPV+neutro
PANEL
PV3
Fecha: 27/05/2019
2 seccionadores portafusibles de 110 A gPV
48 V CC
-F15
2 Interruptores seccionadores de 100 A/1000 V CC
48 V CC
PANEL
PV6
Aparatos de maniobra,protección y sección de los conductores
-W3,
Alumbrado LED
-W2
Nombre: Jiménez D.
-W4
CUADRO DE REGULADOR E INVERSOR
-F10
-F16
Canaleta cerrada+2 (1x50 mm²) RZ1-K (AS) 0,6/1 kV
PANEL
PV13
-F14
SISTEMA DE
ACUMULACIÓN
-Q1
-F1......F14
Canaleta cerrada+2 (1x10 mm²) RZ1-K (AS) 0,6/1 kV
-Q2
Canaleta con tapa+4 (1x35 mm²) ZZ-F (AS) 0,6/1 kV
48 V CC
PANEL
PV5
-G1,
48 V CC
Canaleta cerrada+4 (1x16 mm²) RZ1-K (AS) 0,6/1 kV
220 V 60 Hz
-T3
-F8
-G2
PANEL
PV8
-W2
Tutor: Msc. Proaño J.
7 módulos en paralelo y 2 en serie de 360 W - 24V
-F12
PANEL
PV11
PANEL
PV14
-F2
-W1
CAJA DE CONEXIONES DEL
GENERADOR FOTOVOLTAICO
-F7
-F6
-F5
-F4
-G1
PANEL
PV6
-F3
PANEL
PV8
-F1
PANEL
PV13
PANEL
PV3
PANEL
PV14
PANEL
PV9
PANEL
PV4
PANEL
PV10
PANEL
PV11
PANEL
PV12
PANEL
PV1
PANEL
PV7
PANEL
PV2
PANEL
PV5
Figura 4: Diagrama Multifilar del Sistema Fotovoltaico
3.7. Cálculo de los Conductores y Caídas de Tensión
del Circuito de Utilización
Desde el subtablero de distribución interna hasta el
último punto de la instalación (tramo 4, conexión de la
luminaria 3 a la luminaria 4), la máxima caída de
tensión permitida no podrá ser mayor a 3 %. Para el
presente circuito de iluminación se empleara un cable de
0,6/1 kV de tensión asignada y conductores de cobre,
propio para redes subterráneas con una sección S = 1,5
mm
2
.
El factor de potencia para las luminarias LED será
de 1, por tanto, este término no se considera dentro del
cálculo, en la Tabla 8 se muestran los resultados
obtenidos.
Tabla 8: Caída de Tensión por Tramo del Circuito de Utilización
Tramo
Caída de tensión (%)
%1
U
1,472
%2
U
0,227
%3
U
0,261
%4
U
0,213
Se comprueba si la caída de tensión se encuentra
dentro de los límites previamente establecidos.
%
1,472 0, 261 0,213 2,17 U
3.8. Interruptores Automáticos Magnetotérmicos o
Breakers del Circuito de Utilización
El número de interruptores existentes para el control
del sistema de alumbrado LED serán 4. El primer
interruptor controlará 4 luminarias de 245 W, los
restantes controlarán un total de 6 luminarias de 134 W
respectivamente.
I
n
4 245
4, 455
220
CT
CT
n ca
W
A
P
V
I
U
U
n
= 220 V
Es así que se elige un interruptor automático
magnetotérmico bipolar de 6 A/230 V. La Fig. 5
presenta el esquema unifilar del circuito de utilización.
3.9. Presupuesto para la Propuesta del Proyecto
3.9.1 Sistema de iluminación con tecnología LED
En la Tabla 9 se presenta la inversión inicial de la
repotenciación del sistema de alumbrado, por otro lado,
no es necesario un análisis de rentabilidad mediante el
valor actual neto (VAN) y la tasa interna de retorno
(TIR), debido a que su mejoramiento se lo debe realizar
para ofrecer niveles de calidad lumínicos, dado que, los
que existen actualmente no cumple con la normativa.
164
Edición No. 16, Issue II, Enero 2020
+ 22 (1x1,5 mm²) XLPE, 0,6/1 kV
Jiménez D.
Tubo PVC II pesado diámetro 50 mm+
TIPO
DIAGRAMA UNIFILAR
ALUMBRADO LED
+ 22 (1x1,5 mm²) XLPE, 0,6/1 kV
27/05/2019
Tubo PVC II pesado diámetro 50 mm+
Inversor 5000 VA - 48 V CC / 230 V CA
INVERSOR
Universidad Técnica de Cotopaxi
Tubo PVC II pesado diámetro 50 mm+
-STDI
+ 22 (1x1,5 mm²)
Subtablero de distribución interna
-T3
SÍMBOLO
-C1
-Q1......Q4
-STDI
18 Luminarias LED de 134 W
-Q4
-C2......C4
4 Intps. magts. 2P de 6 A/230 V
4 Luminarias LED de 245 W
220 V
-Q1
-C3
-T3
-C2
-C4
-C1
-Q3
-Q2
Figura 5: Diagrama Unifilar del Sistema de Iluminación LED
Tabla 9: Inversión Inicial del Sistema de Alumbrado LED
Descripción
Unidad
Cantidad
Precio
total ($)
Luminaria LED 245 W
Pza.
4
1 621,12
Luminaria LED 134 W
Pza.
18
6 091,20
Poste metálico 7,5 m
Pza.
4
2 000,00
Poste metálico 8 m
Pza.
18
10 800,00
Brazo de soporte 1 m
2"
de diámetro
Pza.
22
239,80
Cable sección 1,5 mm
2
,
XLPE, 0,6/1 kV (negro)
m
669,79
180,84
Cable sección 1,5 mm
2
,
XLPE, 0,6/1 kV (rojo)
m
669,79
180,84
Cable sección 1,5 mm
2
(verde)
m
467
126,09
Tubo PVC del tipo II
pesado 50 mm de
diámetro
m
813,55
2 977,58
Interruptor automático
magnetotérmico bipolar de
6 A/230 V AC
Pza.
4
43,97
Renta de grúa canastilla
Días
2
400,00
Salario albañil
Días
30
433,35
Salario técnico electricista
Días
30
409,51
TOTAL
25 961,65
3.9.2 Rentabilidad del sistema fotovoltaico autónomo
La Tabla 10 muestra la inversión requerida para
implementar el SFV, pero, se descarta el capital que se
presenta en la Tabla 9 debido a que se analiza la
rentabilidad que implica suministrar la energía eléctrica
con la generación propia del sistema solar.
Tabla 10: Inversión Inicial del Sistema Fotovoltaico Autónomo
Descripción
Unidad
Cantidad
Precio
total ($)
Panel monocristalino (24
V/360 W)
Pza.
28
8 952,44
Batería (12 V/240 Ah)
Pza.
28
20 249,32
Regulador de carga (48
V/110 A)
Pza.
2
626,86
Inversor (48 V/5 000 VA)
Pza.
1
2 487,21
Cable Exzhellent solar
m
21
26,86
ZZ-F (AS) sección 4 mm
2
Cable Exzhellent solar
ZZ-F (AS) sección 35
mm
2
m
8,60
45,92
Cable Exzhellent RZ1-K
(AS) sección 16 mm
2
m
4
14,00
Cable Exzhellent RZ1-K
(AS) sección 50 mm
2
m
1
7,17
Cable Exzhellent RZ1-K
(AS) sección 10 mm
2
m
1
1,69
Seccionador portafusibles
de 15 A/1 100 V DC
(gPV) + neutro
Pza.
14
84,00
Interruptor seccionador de
100 A/ 1 000 V DC
Pza.
2
77,72
Seccionador portafusibles
de 110 A/1 000 V DC
(gPV)
Pza.
2
39,70
Interruptor automático
bipolar de 25 A/230 V AC
Pza.
1
10,99
Interruptor diferencial
bipolar de 25 A/240 V AC
Pza.
1
7,18
Estructura de soporte para
el SFV concentrado
Pza.
2
760,00
TOTAL
33 391,06
Considerando la vida útil de las baterías de 15 años,
el valor actual (VA), la tasa de interés del 8,16 % y el
saldo de $ 20 249,32, se estima un monto de $ 6 243,24
a invertir en el año cero, para generar un capital
adicional que posteriormente será implementado en el
cambio de los acumuladores eléctricos, dando una
inversión inicial total de $ 39 634,30.
Una vez establecidos estos factores se procede a
determinar la rentabilidad de la implementación de un
generador fotovoltaico concentrado, como se puede
apreciar en la Tabla 11.
Tabla 11: Caso 1
Costo de oportunidad
del capital (COK)
Valor actual
neto (VAN)
Tasa interna de
retorno (TIR)
8,16 %
$ 30 277,65
- 4,03 %
La propuesta actualmente no es rentable pese a que
la vida útil del sistema es de 25 años, debido a que el
VAN es menor a cero y la TIR es inferior al costo de
oportunidad del capital.
Como solución se presenta una alternativa que
consiste básicamente en un nuevo valor para el kWh de
USD 0,681 2 tomado del pliego tarifario para las
empresas eléctricas de distribución del año 2019, este
costo es para aquellos usuarios a nivel residencial con
un consumo energético superior a 3 500 kWh,
obteniendo así la Tabla 12.
Tabla 12: Caso 2
Costo de oportunidad
del capital (COK)
Valor actual
neto (VAN)
Tasa interna de
retorno (TIR)
8,16 %
$ 66 525,60
25,35 %
Con estos resultados se evidencia que la propuesta
resulta rentable debido a que el VAN es mayor a cero y
la TIR es superior al COK.
165
Jiménez et al. / Diseño de un Sistema de Iluminación LED a través de Energía Fotovoltaica
3.9.3 Estimación de costo mínimo del kWh para la
rentabilidad del proyecto
Con la finalidad de establecer el valor mínimo del
kWh a través del cual el proyecto se vuelve rentable en
un periodo de recuperación de 10 años, se hace uso de la
ecuación (16).
t
kWh
I
C
E
(16)
donde:
C
kWh
: Costo mínimo del kWh ($/kWh).
E: Demanda de energía (kWh).
I
t
: Ingresos en el periodo t ($).
$
$ 0,403 1
14 856,
5 988,736 8
96
kWh
por kWh
kWh
C
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El diseño del sistema de iluminación LED dispone
de 18 luminarias de 134 W y 4 luminarias de 245 W
instaladas a una altura de 8 m y 7,5 m respectivamente,
obteniendo así un índice de uniformidad superior a 0,50
en las diferentes secciones del parqueadero y así evitar
el denominado efecto cebra.
El sistema fotovoltaico autónomo abastecerá una
carga instalada de 3 392 W, misma que es generada por
28 módulos solares de 360 W, con un total de 28
baterías de descarga profunda de 240 Ah el sistema
podrá continuar en funcionamiento sin generación solar
durante un día.
Efectuar mediciones anuales de los niveles de
iluminación y luminancia para llevar un control
adecuado que permita realizar un mantenimiento
correctivo de ser necesario, y verificar si el límite de
deslumbramiento ha presentado variaciones con
respecto a los valores obtenidos en el diseño.
Con la finalidad de mejorar la utilización del sistema
de alumbrado LED se puede considerar dos circuitos de
iluminación, donde el primero se encuentre encendido
permanentemente y el segundo se activará a través de
un sensor de presencia que permita cumplir con los
niveles lumínicos del presente diseño.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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práctica para alumbrado público” [En línea].
Disponible:https://www.normalizacion.gob.ec/buzo
n/normas/cpe_inen_14.pdf
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público” [En línea]. Disponible:
https://drive.google.com/file/d/10XqEYiqicSTsAB
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[3] CEAC, Sistemas de iluminación, proyectos de
alumbrado. 1era. ed. España: Ediciones CEAC,
S.A., 1974.
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fotovoltaicas. Editex, 2010.
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“Accesibilidad de las personas al medio físico.
Estacionamientos” [En línea]. Disponible:
https://www.normalizacion.gob.ec/buzon/normas/nt
e_inen_2248-1.pdf
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instalaciones eléctricas en baja tensión. 2da. ed.
México: Limusa, 2004.
[7] M. Aparicio, Energías solar fotovoltaica, cálculo de
una instalación aislada. 2da. ed. España:
Marcombo, 2010.
[8] J. de la Cruz y F. de la Cruz, Guía de
mantenimiento en instalaciones fotovoltaicas. 1era.
ed. España: Ediciones Experiencia S.L., 2009.
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LED. España: Paraninfo S.A., 2012.
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Madrid: Equipo Sirius, 2008.
[11] A. Bridgewater y G. Bridgewater, Energías
alternativas handbook. 1era. ed. España: Paraninfo
S.A., 2009.
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fotovoltaicos estacionamiento de la DAE
(Dirección de Administración Escolar) del I.P.N.”,
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energética en las instalaciones de iluminación
interior y alumbrado exterior (UF0567). 1era. ed.
Andalucía: ic editorial, 2013.
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Ediciones Díaz de Santos, 2012.
[15] DIGISENSE. (2019, Jun 24). User Manual, data
logging light meter model 20250-00 [Online].
Available: https://pim-
resources.coleparmer.com/instruction-manual/digi-
sense-20250-00-data-logging-light-meter-
instruction-manual.pdf
166
Edición No. 16, Issue II, Enero 2020
Diego David Jiménez.- Nació en
Loja, Ecuador en 1994. Recibió su
título de Ingeniero Eléctrico de la
Universidad Técnica de Cotopaxi
en 2019. Sus áreas de interés son
las energías renovables, sistemas
eléctricos de potencia,
protecciones eléctricas y líneas de
transmisión.
Xavier Alfonso Proaño.- Nació en
Latacunga, Ecuador en 1985.
Recibió su título de Ingeniero
Eléctrico en la Escuela Politécnica
Nacional de Quito en 2010, y el de
Magister en Gestión de Energías en
la Universidad Técnica de Cotopaxi
en 2013. Actualmente trabaja en la
Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas de la
Universidad Técnica de Cotopaxi como Profesor a
Tiempo Completo. Su campo de investigación se
encuentra relacionado con sistemas eléctricos de
potencia.
167
