CCURSOURSO::““DDiseñoiseño dde Focos e Focos Eficientes Eficientes

basados en basados en LEDsLEDs””Versión 2.1 (Septiembre del 2008)

Motivación:Motivación:“Focos basados en LEDs“Focos basados en LEDs

y Energía Solary Energía Solar””

COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE ILUMINACIÓN

Foco LED Fluorescente Incandescente Energía necesaria para lograr iluminación comparable en cono de 60°

5W 32W 100W

Energía en forma de luz 95% 50%-60% 5% Vida útil del foco 3 años+ 1 año+ 6 meses+ Apertura del flujo luminoso 120° 360° 360° Costo del Foco $17.900 $9.000 $500 Consumo al mes (12hrs/día, $120 KWh) $216 $1.382 $4.320 Ahorro comparativo del FOCO LED $1.166/mes $4.104/mes Meses para pagar mayor costo del Foco LED 8 meses 5 meses

INVERSIÓN EN TECNOLOGÍA SOLAR PARA ILUMINAR DURANTE TODA LA NOCHE COMO UNA AMPOLLETA INCANDESCENTE DE 100W

Panel solar requerido 20W $120.000

85W $405.000

2x130W $1.238.000

Batería recargable de plomo-ácido 12V @ 7Ah $15.000

12V@ 100 Ah $100.000

2x12V@100Ah $200.000

Controlador de Carga 1 Amp $10.000

10 Amp $60.000

20 Amp $90.000

Inversor No necesita 100W $30.000

300W $40.000

Sensor de luz (encendido automático) $6.000 $6.000 $6.000 INVERSIÓN FOCO AUTÓNOMO: $168.900 $610.000 $1.574.500

Fuente: ENERGY MARKET, 2008

““DISEÑO DE FOCOS DISEÑO DE FOCOS EFICIENTES BASADOS EN EFICIENTES BASADOS EN

LEDSLEDS””

INTRODUCCIÓN

La tecnología LED está irrumpiendo en el mercado:– El Parlamento Alemán decretó en Agosto del 2008 que en

cuatro años máximo TODA LA ILUMINACIÓN PÚBLICA será basada en LEDs.

– Europa y algunos paises Sud americanos ya han prohibido el uso de lamparas incandecentes.

Rendimiento Comparativo de la Tecnología LED

LED 3G LED 2G Flourescente Incandescente1W 2W 6W 20W

Determinación del Número de LEDs requeridos:Determinación del Número de LEDs requeridos:

Nro. LEDs por Watt (de LEDs) = 1 / Potencia del LED

(Potencia del LED = Voltage máximo del LED * Corriente Máxima del LED)

Ejemplo:LED de 3.2 – 3.4V y 20 mAPotencia del LED = 3.4V * 0,02 A = 0,068 Watts (P = 68 mW).

Nro. de LEDs = 1 / 0,068 = 14,7 LEDs por Watt

Beneficios de los LEDs

• Alta eficiencia.• Vida útil prolongada.• Ligero y resistente a golpes.• Libre de elementos contaminantes y/o venenosos.• 100% reciclable.

Anatomía del LED

Como todo dispositivo electrónico, el LED posee características técnicas que son proporcionadas por el fabricante. Las más comunes:

Forward Voltaje (VF) : 3.2v – 3.4v (Típico y Máximo)Forward Current (IF) : 20 mA (Máximo)Power Dissipation (PD) : 70mW (Máximo)Operation Temperature : -25ºC/80ºCLuminnus Intensity : 2.500 – 3.000 mcdColor Temperature : 5.000 – 6.000ºKViewing Angle : 80º

Características Técnicas del LED

Los Diodos LED pueden llegar a durar 100.000 horas en condiciones ideales de funcionamiento. El calor, la humedad y un mal diseño de circuito son factores

importantes que acortan significativamente su vida útil.

Escala de Temperatura del Color de la Luz

La Temperatura del color se expresa en Grados Kelvin. A menor Temperatura del Color se acerca al rojo y a medida que aumentamos el color tiende al blanco. El centro de la

zona blanca es el blanco puro (6500K aproximadamente.) .

Ejemplos Típicos de Temperatura del Color

Algunos ejemplos aproximados de temperatura de color* 1700 K: Luz de una cerilla* 1850K : Luz de vela* 2800 K: Luz incandescente o de tungsteno (iluminación doméstica

convencional)* 5500 K: Luz de día, flash electrónico (aproximado)* 5770 K: Temperatura de color de la luz del sol pura* 6420 K: Lámpara de Xenon* 9300 K: Pantalla de televisión convencional* 28000 - 30000 K: Relámpago.

Circuito de LEDs

• Circuito que haría alguien que no se ha capacitado:

• El circuito mostrado no administra el flujo de corriente adecuadamente (analogía: red de agua potable de la casa).

• Modelos Físicos útiles para Diseñar Focos de LEDs:

– LEY DE OHM :

V (Voltaje) = I (Corriente) * R (Resistencia)

V [Volts]= I [Ampéres] * R [Ohms]

P (Consumo) = I (Corriente) * V (Voltaje)

P [Watts o Volt-Ampére] = I [Ampéres] * V [Volts]

– LEY DE KIRCHOFF :

VFuente = VResistencia + VArreglo LEDs

IEntrada = ISalida1 + ISalida2 +... + ISalidaN

Circuito Mejorado

• Esta mejora corresponde a uno de los cinco ESTÁNDARES DE DISEÑO DE ENERGY MARKET.

ESTÁNDARES DE DISEÑO DE ENERGY MARKET

Para diseñar y construir focos Eficientes, Durables y de valor Comercial dentro de la red de ENERGY MARKET, debe observar cinco estándares:

1. Durabilidad del Board2. Eficiencia3. Simetría4. Control de Temperatura y5. Control de Calidad y Etiquetado del Foco de LEDs.

Anexo IAnexo I::““Energía Solar FotovoltaicaEnergía Solar Fotovoltaica””

CONCEPTO GENERAL DE UN SISTEMAFOTOVOLTAICO

• ANALOGÍA: Sistema de bombeo de Agua en el campo.

– Los paneles solares son como la bomba que extrae agua de un pozo y la bombea a un tanque de acumulación en altura.

– Las baterías son como el tanque de acumulación de agua en altura.

– El consumo del sistema está representado por la casa.

Tanque se llena mientras funciona la Bomba

Válvula de Retención evita que tanque se vacíe cuando

Bomba se apaga

Pozo con agua ilimitada(sol)

Bomba(Panel Solar)

Carga

Descarga

Tanque de Acumulación(batería)

Válvula de Retención(diodo)

Casa puede consumir mientras Tanque tenga agua

DESCARGA DE BATERÍAS• Los Fabricantes sugieren descargar la batería a razón

de Idescarga = CA / 10 para que dure casi 10 horas.

CONTROLADOR DE CARGA DE BATERÍAS

• ANALOGÍA: Válvula del Tanque de Inodoro

– Válvula/flotador equivalen a Unidad Controladora de Carga del Sistema (elemento necesario en toda central fotovoltaica).

– Panel solar (u otra fuente) y Controlador deben entregar en la batería un voltage superior en un 25% al voltage de esta para que se produzca el “flujo de corriente” hacia la misma.

Voltage del Panel (mayor al Nivel máximo de Llenado)

Nivel máximo de llenado(25% suuperior al objetivo)

Este método es el más común para cargar baterías

y es conocido como el “MÉTODO DE CARGA A VOLTAGE CONSTANTE”.

18.8V

14,5V

(BATERIA DE 12V)

CARGA DE BATERÍAS• Los Fabricantes recomiendan cargar la Batería con un

Vcarga = 1,25 Vbat y una corriente Icarga = CA / 10.

PREVENCIÓN DE DESCARGANOCTURNA DE BATERÍAS

• En la noche, el panel solar tiene menor voltage (0V) que la batería que ha recibido carga (entre 10,5 y 14.5V).

• Es necesario colocar una “válvula de retención” entre el panel y la batería para evitar que la corriente se “devuelva” al panel.

• Esta válvula electrónica se llama DIODO:

CÁLCULO DE PANELESPaso 1: Determinar el Consumo en Watts diario.Paso 2: Incorporar la Ineficiencia del Sistema (5% / 10%)Paso 3: Determinar el Número de Paneles requerido con fórmula

simplificada:

CÁLCULO DE BATERÍAS

Paso 1: Energía Necesaria del Sistema en Amperes:– Ah del Sistema = Watts diarios del Consumo / Voltaje de Batería

Paso 2: Calcular Nro. de Baterías Requeridas según los días de Autonomía requeridos:

– Nro. Baterías = Nro. días * Ah del Sistema / Capacidad Amperes de la Batería

EJEMPLO:

Paso 1: Energía del Sistema en Amperes (supuesto: 1200 Watts)- Ah del Sistema = 1200 Watts / 12 Volts = 100 Ah.

Paso 2: Calculo del Nro. de Baterías Requeridas (supuesto: 3 días de autonomía y baterías de 120 Ah)

- Nro. de Baterías = 3 * 100 Ah / 120 Ah = 2,5 Baterías (-> 3)

Anexo IIAnexo II::““Al interior del LEDAl interior del LED””

Funcionamiento Del LED

• El LED es un componente electrónico que pertenece a la familia de los Diodos pero que tiene la propiedad de emitir luz cuando se le aplica una corriente eléctrica. Como todo Diodo se encuentra construido a base de materiales cuya combinación determinan tipode luz, color. En el caso del Diodo LED, se encuentra construido en base a un diodo se Silicio, el cual se “Dopa” con determinados elementos existentes en la Tabla Periódica y estos le confieren características específicas, este Dopaje puede ser de dos Tipos: El Dopaje N y el Dopaje P.

• En el Dopaje N el Silicio se mezcla con Fósforo y Arsénico los cuales poseen una carga eléctrica negativa al ser esta combinación cededora de electrones.

• En el Dopaje P el Silicio se mezcla con Boro o Galio el cual son electropositivos que hacen al Silicio muy susceptible a captar electrones a través de él. Este material muestra una carga que es Positiva.

Símbolo Electrónico del LED

Al hacer fluir una corriente en polarización Directa, los electrones que se encuentran en la parte positiva del Diodo repelen a los del Dopaje P y obliga a estos a acercarse a la juntura del Diodo. El mismo fenómeno ocurre con la parte Negativa por lo que se traduce en el intercambio de electrones entre las dos Junturas y la Energía liberada en este intercambio se traduce en luz cuyo color depende de la cantidad, y proporción de los elementos con los que ha sido hecho el dopaje, y ésta se encuentra dentro del espectro de la luz visible, salvo excepciones como son los Diodos Infrarrojos.

Créditos

Las siguientes personas han colaborado en la elaboración de este material, de acuerdo a la misión del proyecto “Iluminando Comunidades con Tecnología LED y Eficiencia Energética” de ENERGY MARKET:

– Hernán Moraga Müller, Fundador & Diseñador Certificado.– Uwe Schnabl, Diseñador Certificado.– Jorge Osorio, Diseñador Certificado.– Roberto Negroni, Diseñador Certificado.

Versión 2.0, Agosto del 2008Patrimonio para la Humanidad

Este material es de dominio público, es decir, puede copiarse, distribuirse, citarse, etc. con la única condición de reproducir esta página. Cualquier mejora o aporte tendiente a enriquecer este material por favor enviarlo a alguno de los Diseñadores Certificados indicados arriba, cuyos correos se encuentran en la sección de CAPACITACIÓN de ENERGY MARKET (www.e-market.cl).