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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

INGENIERÍA ELÉCTRICA

“PROPUESTA DE OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE ILUMINACIÓN

DE LA UNIDAD DE INFORMÁTICA DE LA ESIME ZACATENCO”LA

ISLA” IMPLEMENTANDO UN SISTEMA FOTOVOLTAICO”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN:

JONATHAN JESÚS NAVA FIGUEROA

ASESOR METODOLÓGICO

M en C. CARLOS TEJADA MARTÍNEZ

MÉXICO D. F., MAYO 2013

Resumen

En esta tesis se presenta un análisis de cómo puede ser optimizado el sistema de

iluminación actual del sistema de alumbrado de la Unidad de Informática de la

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, zona Zacatenco, conocida

también como “La Isla”. Dicho análisis se realizó con el objetivo de tener los

niveles de iluminación establecidos en las normas vigentes, utilizando luminarias

de tecnología LED.

Para la realización de este estudio, se utiliza el programa DIALux, en el cual se

realizara la simulación de la distribución del flujo luminoso dentro de las

instalaciones de la Unidad de Informática, así como el consumo energético del

sistema de iluminación, haciendo además una comparativa entre luminarias de

lámparas fluorescentes y luminarias de tecnología LED.

Complementario a esto se diseña un sistema de generación fotovoltaico, para

alimentar el sistema de iluminación de forma autónoma, dentro del cual se realiza

el cálculo del número de paneles requeridos para alimentar la iluminación de la

Unidad de Informática, así como el cálculo de los elementos que integran el

sistema fotovoltaico, siendo estos: regulador, banco de baterías e inversor.

ii

INDICE GENERAL

Glosario ............................................................................................................................ vii

Planteamiento del Problema .............................................................................................. ix

Justificación ....................................................................................................................... xi

Limitaciones ................................................................................................................... xi

Alcances ........................................................................................................................ xi

Objetivos .......................................................................................................................... xii

Objetivo General ............................................................................................................... xii

Objetivos Particulares ....................................................................................................... xii

Hipótesis .......................................................................................................................... xiii

Sistemas de Iluminación

1.1 Introducción ............................................................................................................................. 15

1.2 Luz ........................................................................................................................................... 15

1.3 Fuentes de Luz ........................................................................................................................ 16

1.3.1 Luz Natural .................................................................................................................... 17

1.3.2 Luz Artificial ................................................................................................................... 17

1.4 Sistemas de iluminación .......................................................................................................... 17

1.5 Tipos de Lámparas .................................................................................................................. 18

1.5.1 Lámparas Incandescentes .......................................................................................... 19

1.5.2 Lámparas Fluorescentes ............................................................................................. 19

1.5.3 Lámparas de Vapor de Mercurio ................................................................................ 20

1.5.4 Lámpara de Aditivos Metálicos .................................................................................. 20

1.5.6 Lámparas de Vapor de Sodio ..................................................................................... 21

1.6 Lámparas LED ........................................................................................................................ 23

1.7 Niveles de Iluminación ............................................................................................................ 24

Generación fotovoltaica

2.1 Introducción ............................................................................................................................. 27

2.2 Energía Solar .......................................................................................................................... 27

2.3 Panel Fotovoltaico ................................................................................................................... 28

2.4 Principio de Funcionamiento ................................................................................................... 29

2.5 Factores de Eficiencia ............................................................................................................. 31

iii

Diseño del sistema de iluminación

3.1 Introducción ............................................................................................................................. 35

3.2 Normatividad aplicable ........................................................................................... 36

3.2.1. NOM-025-STPS-2008; Condiciones de iluminación en centros de trabajo. ..... 36

3.2.2 NOM-007-ENER-2004; Eficiencia energética en sistemas de alumbrado en

edificios no residenciales .......................................................................................... 38

3.3. Distribución de zonas de iluminación en la Unidad Computacional de la ESIME

Zacatenco “La Isla” ...................................................................................................... 39

3.3.1 Selección de luminarias para salas de cómputo y oficinas (Zonas 1- 8) ........... 42

3.3.2 Iluminación de pasillos, almacén bodega y sanitarios (Zonas 9-10) ................. 44

3.4. Herramienta de cómputo para el estudio luminotécnico de la unidad de informática

“La Isla”. ....................................................................................................................... 45

3.5. Diagrama de densidad lumínica y cónico de luminarias ........................................ 46

3.6 Cálculo de la iluminación de la unidad de informática utilizando el programa DIALux.

..................................................................................................................................... 48

3.6.1 Laboratorio de Diseño (Zona 1) ....................................................................... 48

3.6.2 Sala Intermedia (Zona 2) ................................................................................. 50

3.6.3 Jefatura/Laboratorio/Apoyo (UTE) (Zona 3) ..................................................... 52

3.6.4 Server (Zona 4) ................................................................................................ 54

3.6.5 Servicios (Zona 5) ............................................................................................ 56

3.6.6 Pabellón tecnológico (Zona 6) .................................................................................... 58

3.6.7 Soporte técnico (Zona 7) ............................................................................................. 60

3.6.8 Secretarial/Espera/Jefatura Unidad (Zona 8) ........................................................... 62

3.6.9 Bodega/Almacén/Sanitarios (Zona 9) ....................................................................... 64

3.6.10 Pasillo (Zona 10) ........................................................................................................ 66

3.7 Distribución general de luminarias y flujo luminoso ................................................................ 68

3.8 Tablero, circuitos derivados y selección de interruptores termomagnéticos .......................... 69

3.8.1. Selección de termomagnético ................................................................................... 69

3.8.2 Cuadro de cargas ......................................................................................................... 70

3.9 Comparativa energética .......................................................................................................... 70

Diseño del sistema fotovoltaico

4.1 Introducción ............................................................................................................................. 73

4.2 Nivel de radiación solar ........................................................................................................... 74

4.3 Estimación de uso de la carga del sistema de iluminación ..................................................... 75

iv

4.4 Dimensionamiento de los componentes ................................................................................. 76

4.4.1 Paneles fotovoltaicos ................................................................................................... 76

4.4.2 Calculo del número de paneles fotovoltaicos ........................................................... 77

4.4.3 Topología de paneles solares .................................................................................... 78

4.4.4 Banco de baterías ........................................................................................................ 79

4.4.5 Reguladores de carga .................................................................................................. 82

4.4.6 Inversor .......................................................................................................................... 83

4.5 Resultados del cálculo de elementos del sistema fotovoltaico ............................................... 84

Conclusiones

5.1 Recomendaciones ................................................................................................................... 87

Referencias ..................................................................................................................... 88

ANEXO A ........................................................................................................................ 90

v

INDICE DE FIGURAS

Fig. 1.Espectro electromagnético ..................................................................................... 16

Fig. 2. Gráfico de la geometría solar ................................................................................ 17

Fig. 3.Bombilla incandescente ......................................................................................... 19

Fig. 4.Lámpara fluorescente ............................................................................................ 20

Fig. 5.Lámpara de aditivos metálicos ............................................................................... 21

Fig. 6.Lámpara de vapor de sodio a alta presión ............................................................. 22

Fig. 7.Lámpara de vapor de sodio a baja presión ............................................................ 23

Fig. 8.Lámparas LED ....................................................................................................... 24

Fig. 9.Panel y célula fotovoltaicos .................................................................................... 29

Fig. 10.Elementos de un sistema fotovoltaico .................................................................. 30

Fig. 11.Corte transversal de un panel fotovoltaico ........................................................... 32

Fig. 12.Instalaciones de la Unidad de Informática de la ESIME Zacatenco ...................... 35

Fig. 13.Plano estructural de la Unidad Computacional de la ESIME Zacatenco ............... 39

Fig. 14.Medición de los niveles actuales de iluminación .................................................. 40

Fig. 15.Luminario Smartform LED .................................................................................... 43

Fig. 16.Luminario LuxSpace Compact ............................................................................. 44

Fig. 17.Software DIALux versión 4.11 .............................................................................. 45

Fig. 18.Diagrama de densidad lumínica ........................................................................... 46

Fig. 19.Diagrama cónico .................................................................................................. 46

Fig. 20.Diagrama de densidad lumínica ........................................................................... 47

Fig. 21.Diagrama cónico .................................................................................................. 47

Fig. 22.Niveles de intensidad luminosa en Zona 1 ........................................................... 48

Fig. 23.Ubicación luminarias Zona 1 ................................................................................ 48

Fig. 24.Niveles de intensidad luminosa Zona 2 ................................................................ 50
















Fig. 40.Niveles de intensidad luminosa Zona 10 .............................................................. 66

Fig. 41.Ubicación luminarias Zona 10 .............................................................................. 66

Fig. 42.Plano general de niveles de iluminación por zonas de estudio ............................. 68

vi

Fig. 43.Ubicación geográfica de “La Isla” ......................................................................... 73

Fig. 44.Topología de paneles fotovoltaicos ...................................................................... 79

Fig. 45.Topología banco de baterías ................................................................................ 82

Fig. 46. Diagrama unifilar ................................................................................................. 85

INDICE DE TABLAS

Tabla 1.Condiciones de iluminación en centros de trabajo .............................................. 37

Tabla 2.Eficiencia energética en sistemas de alumbrado en edificios no residenciales .... 38

Tabla 3.Zonas de la Unidad Computacional .................................................................... 41

Tabla 4.Comparativa de luminarias .................................................................................. 43

Tabla 5.Resultados luminotécnicos Zona 1 ...................................................................... 49





Tabla 10.Resultados luminotécnicos Zona 6 .................................................................... 59




Tabla 14.Resultados luminotécnicos Zona 10 .................................................................. 67

Tabla 15.Comparativa energética .................................................................................... 71

Tabla 16.Niveles de radiación solar sobre la ubicación del proyecto ................................ 74

Tabla 17.Calculo del consumo eléctrico ........................................................................... 75

vii

Glosario

A-h: Amperes por hora.

Batería: Dispositivo que almacena energía eléctrica, por medio de procedimientos

electroquímicos, para devolverla posteriormente.

Célula fotovoltaica: Dispositivo electrónico que transforma la energía luminosa

en energía eléctrica.

Eficiencia: Relación entre energía útil y energía invertida

Fluorescencia: Tipo particular de luminiscencia, que caracteriza a las sustancias

que son capaces de absorber energía en forma de radiaciones electromagnéticas

y luego emitir parte de esa energía en forma de radiación electromagnética.

Generación eléctrica: Consiste en transformar alguna clase de energía química,

mecánica, térmica o luminosa, entre otras, en energía eléctrica.

Iluminación: Se refiere al conjunto de dispositivos que se instalan para producir

ciertos efectos luminosos, tanto prácticos como decorativos.

Inversor: Dispositivo que convierte corriente directa en alterna

Irradiación solar: Conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol.

kWh/día: kilowatts-hora consumidos en un día.

LED: Diodo emisor de luz, se refiere a un componente optoeléctrico pasivo.

Lumen: Unidad del Sistema Internacional de Medidas para medir el flujo luminoso.

Luminaria: Dispositivos generadores de luz, responsable del control y la

distribución de la luz.

Lux: Es la unidad derivada del Sistema Internacional de Unidades para

la iluminancia o nivel de iluminación. Equivale a un lumen /m².

http://es.wiktionary.org/wiki/dispositivo

http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica

http://es.wikipedia.org/wiki/Sol

http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_Internacional_de_Medidas

http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_luminoso

http://es.wikipedia.org/wiki/Unidades_derivadas_del_Sistema_Internacional

http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_Internacional_de_Unidades

http://es.wikipedia.org/wiki/Iluminancia

http://es.wikipedia.org/wiki/Iluminaci%C3%B3n_f%C3%ADsica

http://es.wikipedia.org/wiki/Lumen

http://es.wikipedia.org/wiki/Metro_cuadrado

viii

Luxómetro: Instrumento de medición que permite medir simple y rápidamente la

iluminancia real de un ambiente.

Panel fotovoltaico: Conjunto de células fotovoltaicas, que producen electricidad a

partir de la luz que incide sobre ellos.

Potencia: Relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir,

la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo

determinado.

Reflexión: Cambio de dirección de una onda magnética, que al estar en contacto

con la superficie de separación entre dos medios cambia

Topología: Se refiere al arreglo físico en el cual los dispositivos se interconectan

entre sí.

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica

ix

Planteamiento del Problema

Durante los últimos años, el ahorro y la forma de utilización de la energía eléctrica

se han convertido en un tema de vital importancia para las sociedades del mundo,

ya que debido a diversos factores, han provocado una mayor conciencia sobre el

uso de la energía eléctrica.

En México debido a múltiples factores, políticos, económicos y culturales, no se ha

desarrollado un pleno interés entre sociedad y gobierno por el ahorro de energía y

poco se ha incursionado en el desarrollo de tecnologías de generación de energía

eléctrica alternas, entre ellas la generación a través de paneles fotovoltaicos.

Uno de los principales problemas que se tiene, es la mala calidad en las

instalaciones eléctricas y en los sistemas de iluminación, este mismo problema ha

afectado a la Unidad Computacional de la ESIME Zacatenco mejor conocida como

“La Isla”, además de la falta de mantenimiento a las instalaciones desde hace

varios años han ocasionado que estas se deterioren y se vuelvan obsoletas.

Por otra parte, el uso de sistemas fotovoltaicos para generación de electricidad es

una práctica cada vez más común en el ámbito internacional. Durante los últimos

30 años el desarrollo tecnológico en este campo ha permitido una reducción de 95

% en el costo de los módulos fotovoltaicos comerciales, a la par de un incremento

cercano al 200% en su eficiencia. Un dato que puede servir como referencia para

dimensionar el nivel de penetración de esta tecnología en estos últimos años son

los más de 1200 MW de potencia pico instalada a nivel mundial, con un

crecimiento anual del orden de 16 %.

Pero en México, al igual que en muchos otros países en desarrollo, el uso de los

sistemas fotovoltaicos tiene una penetración y desarrollo aún incipiente.

En busca de fortalecer el uso de energías alternas y como medio de ahorro de

energía eléctrica además de un ahorro económico, se implementara un sistema de

generación eléctrica fotovoltaico para alimentar el circuito de iluminación y con eso

reducir el problema del consumo eléctrico.

x

El aprovechamiento máximo de la luz natural, junto con la aplicación de

tecnologías eficientes de alumbrado y sistemas de control de la iluminación,

permiten reducir el consumo de energía de este sistema entre un 15% y un 50%.

Debido a lo anterior es necesario implementar nuevas formas de generación

eléctrica para el uso cotidiano, en este caso se propone el uso de la energía solar,

así como la implementación de sistemas de iluminación de bajo consumo y mayor

eficiencia para la iluminar la Unidad Computacional de la ESIME Zacatenco.

xi

Justificación

Los sistemas de iluminación mal diseñados y/o deteriorados por el tiempo,

presentan diversas fallas, tanto en sus equipos como en su funcionamiento, es por

eso que de sustituirse un sistema obsoleto o en mal estado y aplicando las nuevas

tecnologías en alumbrado de bajo consumo, se tendrá un sistema de iluminación

eficiente, sumado a estas mejoras, también se busca que el sistema sea

alimentado independientemente de la red eléctrica, generando su propia

electricidad a partir de la energía solar por medio de un sistema fotovoltaico, del

cual, conociendo las limitaciones que presentan estos tipos de sistemas de

generación actualmente, se buscara optimizar al máximo el sistema de iluminación

y que estos tengan una baja demanda de energía para su óptimo funcionamiento y

mediante esto compensar los bajos porcentajes de eficiencia que tienen hasta la

fecha los sistemas de generación fotovoltaicos.

Limitaciones

Debido al poco desarrollo de la tecnología de generación fotovoltaica en nuestro

país, implementar un sistema de este tipo es relativamente costoso, ya que los

beneficios económicos se obtendrán al paso del tiempo.

Alcances

Se podrá conseguir un significativo ahorro en el uso de energía eléctrica y un

beneficio económico (viéndose este reflejado con el paso del tiempo), así como un

mejor sistema de iluminación, que brinde más comodidades a los usuarios del

inmueble, sin dejar de lado los beneficios que se aportaran al medio ambiente al

utilizar energía eléctrica generada de forma limpia.

xii

Objetivos

Objetivo General

Optimizar el sistema de iluminación de la Unida de Informática de la ESIME

Zacatenco, para que este sea de bajo consumo y mayor eficiencia, cumpliendo

con las características que un sistema de alumbrado para un edificio de este tipo

requiera, siendo a su vez alimentado de forma independiente por un sistema de

generación de energía eléctrica fotovoltaico.

Objetivos Particulares

Rediseño del sistema de iluminación actual de la Unidad de Informática “La Isla”

de la ESIME Zacatenco.

Aplicación de nuevos equipos de iluminación para tener una mayor eficiencia en el

alumbrado mediante un bajo consumo de energía.

Implementación de un sistema fotovoltaico para generar la energía eléctrica

necesaria con la cual se alimentara el circuito de iluminación implementado.

xiii

Hipótesis

Debido a que día con día las nuevas tecnologías en materia de iluminación

presentan elementos para el alumbrado siendo estos más eficientes empleando

un bajo consumo energético, implementar estos en un nuevo sistema de

iluminación para la Unidad de Informática “La Isla” de la ESIME Zacatenco,

brindara un óptimo nivel de iluminación para realizar de forma adecuada las tareas

que se realizan en esta unidad.

A su vez, al considerar los avances en generación de electricidad a partir de

energía solar, el implementar un sistema de generación eléctrica a base de

paneles fotovoltaicos permitirá alimentar al sistema de iluminación antes

mencionado para darle independencia de la red eléctrica, como lo que se obtendrá

un sistema de iluminación autosustentable, de bajo consumo eléctrico y un

alumbrado eficiente.

CAPÍTULO I

SISTEMAS DE ILUMINACIÓN

En este capítulo se contemplan conceptos relacionados a la luz, los

sistemas de iluminación y los elementos que integran dichos sistemas.

15

1 Sistemas de Iluminación

1.1 Introducción

No es posible concebir el mundo actual sin el uso de la iluminación artificial.

Durante este capítulo nos enfocaremos en conocer los elementos de los sistemas

de iluminación, así como un poco sobre la luz y las fuentes que producen la

misma, pudiendo ser de dos tipos, naturales o artificiales.

Además nos centraremos en los tipos de luminarias más comúnmente utilizados

en los sistemas de iluminación tanto tradicionales, como las nuevas tecnologías.

Finalmente conoceremos las normas que detallan los niveles de iluminación

requeridos en edificios públicos para llevar a cabo las diversas actividades que en

estos se realizan.

1.2 Luz

Recibe el nombre de luz la parte de la radiación electromagnética que puede ser

percibida por el ojo humano, aunque en un concepto más amplio incluye todo el

campo de la radiación conocido como espectro electromagnético, mientras que la

expresión luz visible señala específicamente la radiación en el espectro visible. [1]

16

Fig. 1.Espectro electromagnético

1.3 Fuentes de Luz

Se entiende por fuente de luz a aquellos cuerpos que la generan, ya sea

producida por ellos mismos o por que la reflejan. En nuestro entorno existen

diferentes tipos de luz, las cuales pueden ser naturales o artificiales.

Así mismo se tienen las fuentes primarias, las cuales producen la luz por medio de

procesos internos, por ejemplo el sol y son secundarias si estas producen la luz

por reflexión como es el caso de la luna o de cualquier otra superficie que la

refleje.

La primera finalidad de una fuente de luz consiste en producirla y la eficacia con

que una lámpara realiza este cometido se expresa en lúmenes emitidos por watts

consumidos, relación llamada eficiencia luminosa. [2]

17

1.3.1 Luz Natural

La luz natural también conocida como luz diurna o de día, es aquella producida

por el sol, se tienen tres tipos de luz natural, las directas, indirectas y difusas.

El sol determina las características esenciales de la luz natural disponible, el largo

de los días y sus cambios estacionales, así como de los cambios de carácter que

ocurren durante el día. Estas características de penden de los movimientos de la

tierra, del ángulo de sus ejes y del ángulo de la superficie iluminada respecto al

ángulo de incidencia del rayo de luz. [3]

Fig. 2. Gráfico de la geometría solar

1.3.2 Luz Artificial

Es aquella provista por fuentes artificiales que poseen una distribución espectral

similar a la luz natural, estas fuentes pueden ser muy variadas, ya que van desde

lámparas de gas y aceite, velas y en su mayoría son lámparas y luminarios

eléctricos. Representa el 19% del consumo de electricidad mundial. [4]

1.4 Sistemas de iluminación

Con el constante incremento por la conservación de la energía en los años

recientes, se ha enfocado la atención en el consumo de energía y los métodos

para reducir este.

18

Todas las actividades llevadas a cabo requieren iluminación: en casa, el

transporte, la oficina, el comercio y la industria.

Un sistema de iluminación es el conjunto de luminarias destinadas a proporcionar

un aumento de iluminación en el plano de trabajo para la realización de

actividades específicas.

El objetivo de estos sistemas no es simplemente el proporcionar luz, si no permitir

que las personas reconozcan fácil y claramente, sin error lo que ven, sin fatigar la

vista.

Todo esto dependerá del tipo de luminario utilizado para la iluminación del

inmueble, entre los parámetros que sirven para definir una lámpara tenemos las

características fotométricas: la intensidad luminosa, el flujo luminoso y el

rendimiento o eficiencia.

Además de estas, existen otros que nos informan sobre la calidad de la

reproducción de los colores y los parámetros de duración de las lámparas. [5]

1.5 Tipos de Lámparas

En la actualidad las fuentes de iluminación más populares son seis: lámparas

incandescentes, fluorescentes, vapor de mercurio, aditivos metálicos y vapor de

sodio (baja y alta presión). Todas estas lámparas con excepción de las

incandescentes son lámparas de descarga de gas, lo que significa que la luz es

creada a través de la excitación de los gases dentro de la lámpara.

La eficiencia es determinada por la cantidad de luz, medida en lúmenes

producidos por cada watt de energía requerida por la lámpara. Los lúmenes por

watt (LPW) de varias fuentes de luz pueden variar considerablemente. [6]

Actualmente se están desarrollando nuevas tecnologías en equipos de

iluminación, dando como resultado el uso de lámparas LED, lámparas que utilizan

diodos emisores de luz como fuente luminosa.

19

1.5.1 Lámparas Incandescentes

Las lámparas incandescentes es uno de los tipos más comunes de fuentes de luz,

aun siendo esta la lámpara con la menor eficiencia (lúmenes por watt) y el menor

tiempo de vida.

La luz es producida en eta lámpara por el efecto Joule cuando el filamento es

calentado hasta la incandescencia, siendo este una resistencia al flujo de la

corriente eléctrica.

El invento de la lámpara incandescente se le atribuye a Thomas Alva Edison.

Fig. 3.Bombilla incandescente

1.5.2 Lámparas Fluorescentes

Las lámparas fluorescentes se están convirtiendo en el tipo más común de fuente

luminosa, es fácil distinguirlas por su diseño tubular, su operación consiste en un

arco eléctrico producido entre dos electrodos, los cuales están separados

dependiendo la longitud del tubo, la luz ultravioleta producida por el arco activa un

revestimiento de fosforo en el interior de las paredes del tubo, causando que la luz

sea producida.

Las lámparas fluorescentes se caracterizan por estar formadas por un tubo

cilíndrico, con casquillo de dos contactos donde se alojan los electrodos.

20

Fig. 4.Lámpara fluorescente

1.5.3 Lámparas de Vapor de Mercurio

Las lámparas de vapor de mercurio producen luz cuando la corriente eléctrica

pasa a través de una pequeña cantidad de vapor de mercurio.

La lámpara consiste en dos sobres de cristal, un sobre interno donde el arco es

golpeado y uno por fuera o de protección. La lámpara de vapor de mercurio al

igual que la fluorescente requiere un balastro diseñado para cada uso específico.

1.5.4 Lámpara de Aditivos Metálicos

La lámpara de aditivos metálicos es muy similar en su construcción a la lámpara

de vapor de mercurio, la mayor diferencia consiste en que esta lámpara contiene

varios aditivos metálicos adicionalmente al vapor de mercurio. La eficacia de la

lámpara de aditivos metálicos es de 1.5 a 2 veces la de la lámpara de vapor de

mercurio.

El aditivo metálico produce una relativa “luz blanca” igual o superior a la

actualmente presentada por una lámpara de vapor de mercurio, para su

21

funcionamiento necesario un dispositivo especial de encendido, puesto que las

tensiones de arranque son muy elevadas (1500-5000 V). [6]

Fig. 5.Lámpara de aditivos metálicos

1.5.6 Lámparas de Vapor de Sodio

Alta Presión

La lámpara de alta presión de vapor de sodio, es un tipo de lámpara de descarga

de gas que usa vapor de sodio para producir luz, tiene la mayor eficacia de todas

las lámparas utilizadas normalmente en interiores, esta produce luz cuando la

electricidad pasa a través del vapor de sodio, la luz producida por este tipo de

lámparas es una luz de color “blanco-dorado”.

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1mpara_de_descarga_de_gas

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1mpara_de_descarga_de_gas

http://es.wikipedia.org/wiki/Sodio

http://es.wikipedia.org/wiki/Luz

22

Fig. 6.Lámpara de vapor de sodio a alta presión

La lámpara de vapor de sodio a alta presión es una de las más utilizadas en el

alumbrado público ya que proporciona una reproducción de los colores

considerablemente mejor que la anterior, aunque no tanto como para iluminar algo

que requiera excelente reproducción cromática.

Baja Presión

Esta es la lámpara de mayor eficiencia disponible actualmente, probé alrededor de

183 lúmenes por watt. La luz en esta lámpara es producida por un tubo arqueado

en forma de U el cual contiene el vapor de sodio, su uso en interiores es

severamente restringido, debido a que produce una monocromática luz amarilla.

La radiación emitida, de color amarillo, está muy próxima al máximo de

sensibilidad del ojo humano (555 nm). Por ello, la eficacia de estas lámparas es

muy elevada (entre 160 y 180 lm/W). Otras ventajas que ofrece es que permite

una gran comodidad y agudeza visual, además de una buena percepción de

contrastes. Por contra, su monocromatismo hace que la reproducción de colores y

http://es.wikipedia.org/wiki/Alumbrado_p%C3%BAblico

23

el rendimiento en color sean muy malos haciendo imposible distinguir los colores

de los objetos. [6]

Fig. 7.Lámpara de vapor de sodio a baja presión

1.6 Lámparas LED

Lámparas de bajo consumo LED suponen una alternativa ecológica de gran

calidad a las bombillas incandescentes.

Un LED (diodo de emisión de luz) es una fuente de luz que encaja perfectamente

en un circuito eléctrico. Debido a que los LED se iluminan por el movimiento de los

electrones en un material semiconductor, los LED no se queman, no se calientan y

no utilizan sustancias peligrosas como el mercurio, además de ser reciclables. [7]

La tecnología LED aporta la mejor eficiencia disponible para la conversión de

energía eléctrica en luminosa. Con una eficiencia energética media de un 85% se

pueden obtener más de 80 lúmenes por watt.

La emisión de luz que proporcionan los LED es direccional, la luz blanca que

producen los LED, permite la mejor reproducción cromática actualmente

disponible. Colores intensos y claramente diferenciados.

24

Actualmente las lámparas de LED se pueden usar para cualquier aplicación

comercial, desde el alumbrado decorativo hasta el de viales y jardines, presentado

ciertas ventajas, entre las que destacan su considerable ahorro energético,

arranque instantáneo, aguante a los encendidos y apagados continuos y su mayor

vida útil.

Fig. 8.Lámparas LED

1.7 Niveles de Iluminación

La cantidad de luz que ilumina una superficie es medida en lúmenes por metro

cuadrado, y cada tarea específica tiene valores recomendados de iluminación para

llevarse a cabo y un cuarto en donde se realizan diversas tareas podría tener

varios niveles de iluminación recomendados.

Establecer los requerimientos de iluminación en las áreas de los centros de

trabajo, para que se cuente con la cantidad de iluminación requerida para cada

actividad visual, a fin de proveer un ambiente seguro y saludable en la realización

de las tareas que desarrollen los trabajadores. [8]

25

La NOM-025-STPS-2008, Condiciones de iluminación en los centros de trabajo,

indica los niveles de iluminación que deben incidir en el plano de trabajo, para

cada tipo de tarea visual o área de trabajo.

Precisar niveles de iluminación no es críticamente importante, pero igual de

importante que la cantidad de luz, es la calidad de la misma, pocas son las

personas capaces de percibir una diferencia mínima en la iluminación, pero la

pobre calidad de la iluminación es muy fácil de aparentar para cualquiera y más

aún si esta afecta su habilidad y confortabilidad para “ver” una tarea.

Uno de los factores que afectan la calidad de un sistema de iluminación es el

deslumbramiento, este tiene un gran impacto en la habilidad y comodidad para

realizar alguna actividad.

CAPÍTULO II

GENERACIÓN FOTOVOLTAICA

En este capítulo se presenta la definición de la generación fotovoltaica,

así como los elementos que integran un sistema de generación solar.

27

2 Generación fotovoltaica

2.1 Introducción

El uso de sistemas fotovoltaicos para generación de electricidad es una práctica

cada vez más común en el ámbito internacional. Durante los últimos 30 años el

desarrollo tecnológico en este campo ha permitido una reducción de 95 % en el

costo de los módulos fotovoltaicos comerciales, a la par de un incremento cercano

al 200% en su eficiencia. [9]

Es por eso que durante este capítulo nos adentraremos en esta forma de

generación de energía eléctrica, a partir de la energía solar, ya que en busca de

nuevas fuentes de energía limpia, esta sin duda puede ser una de las opciones

con una mejor perspectiva de desarrollo.

En México, al igual que en muchos otros países en desarrollo, el uso de los

sistemas fotovoltaicos tiene una penetración y desarrollo aún incipiente.

2.2 Energía Solar

La energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el calor

emitidos por el Sol.

Desde su surgimiento se clasifico como la solución perfecta para las necesidades

energéticas de todos los países debido a su universalidad y acceso gratuito ya

que, como se ha mencionado anteriormente, proviene del sol.

Para los usuarios el gasto está en el proceso de instalación del equipo solar.

Este gasto, con el paso del tiempo, es cada vez menor por lo que no nos resulta

raro ver en la mayoría de las casas las placas instaladas. Podemos decir que no

contamina y que su captación es directa y de fácil mantenimiento.

28

Es una de las llamadas energías renovables, particularmente del grupo no

contaminante, conocido como energía limpia o energía verde, si bien, al final de su

vida útil, los paneles fotovoltaicos pueden suponer un residuo contaminante

difícilmente reciclable al día de hoy.

La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del calor

que produce a través de la absorción de la radiación.

La potencia de la radiación varía según el momento del día; las condiciones

atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenas

condiciones de radiación el valor es de aproximadamente 1000 W/m² en la

superficie terrestre. A esta potencia se la conoce como irradiación.

2.3 Panel Fotovoltaico

También conocido como panel solar es un módulo que aprovecha la energía de la

radiación solar. El término comprende a los colectores solares utilizados para

producir agua caliente (usualmente doméstica) y a los paneles fotovoltaicos

utilizados para generar electricidad. [9]

Los paneles fotovoltaicos: están formados por numerosas celdas que convierten la

luz en electricidad. Las celdas a veces son llamadas células fotovoltaicas. Estas

celdas dependen del efecto fotovoltaico por el que la energía luminosa produce

cargas positiva y negativa en dos semiconductores próximos de diferente tipo,

produciendo así un campo eléctrico capaz de generar una corriente.

29

Fig. 9.Panel y célula fotovoltaicos

Los paneles fotovoltaicos, además de producir energía que puede alimentar una

red eléctrica terrestre, pueden emplearse en vehículos eléctricos y barcos solares.

En 2005 el problema más importante con los paneles fotovoltaicos era el costo,

que ha estado bajando hasta 3 o 4 dólares por watt. El precio del silicio usado

para la mayor parte de los paneles ahora está tendiendo a subir. Esto ha hecho

que los fabricantes comiencen a utilizar otros materiales y paneles de silicio más

delgados para bajar los costos de producción. Debido a economías de escala, los

paneles solares se hacen menos costosos según se usen y fabriquen más. A

medida que se aumente la producción, los precios continuarán bajando en los

próximos años.

2.4 Principio de Funcionamiento

Los paneles o módulos fotovoltaicos (llamados comúnmente paneles solares,

aunque esta denominación abarca otros dispositivos) están formados por un

conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la

luz que incide sobre ellos (electricidad solar). El parámetro estandarizado para

30

clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia

máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que

son:

• Radiación de 1000 W/m²

• Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).

Las principales componentes de un sistema fotovoltaico conectado a la red son: el

arreglo fotovoltaico, que es el elemento encargado de transformar la luz del sol en

electricidad; y un elemento acondicionador de la potencia producida (un inversor

c.d./c.a.), cuya función es adecuar la energía generada por el arreglo a las

características eléctricas de la red para su conexión a ésta.

Fig. 10.Elementos de un sistema fotovoltaico

Silicio cristalino y Arseniuro de galio son la elección típica de materiales para

celdas solares. Los cristales de Arseniuro de galio son creados especialmente

para uso fotovoltaico, mientras que los cristales de Silicio están disponibles en

lingotes estándar más baratos producidos principalmente para el consumo de la

31

industria microelectrónica. El Silicio poli cristalino tiene una menor eficacia de

conversión, pero también menor coste. [10]

Funcionan por medio del Efecto Fotoeléctrico (también conocido como efecto

fotovoltaico) a través del cual la luz solar se convierte en electricidad sin usar

ningún proceso intermedio. Los dispositivos donde se lleva a cabo la

transformación de luz solar en electricidad se llaman Generadores Fotovoltaicos y

a la unidad mínima en la que se realiza dicho efecto Celdas Solares, que al

conectarse en serie y/o paralelo se forman los paneles fotovoltaicos.[11]

Los paneles fotovoltaicos se dividen en:

• Cristalinas

•Monocristalinas: Se componen de secciones de un único cristal de silicio (Si)

(reconocibles por su forma circular u octogonal, donde los 4 lados cortos, si se

puede apreciar en la imagen, se aprecia que son curvos, debido a que es una

célula circular recortada).

• Policristalinas: Cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.

• Amorfas: Cuando el silicio no se ha cristalizado. Su efectividad es mayor cuanto

mayores son los cristales, pero también su peso, grosor y coste. El rendimiento de

las primeras puede alcanzar el 20% mientras que el de las últimas puede no llegar

al 10%, sin embargo su coste y peso es muy inferior.

2.5 Factores de Eficiencia

La eficiencia es el parámetro por excelencia en la tecnología y uno de los más

importantes en la generación fotovoltaica. Sin embargo hay mucha confusión al

respecto en este punto, por la mala interpretación de este parámetro.

32

Muchas veces en la elección de módulos, simplemente se compara el valor de la

eficiencia, sin tener en cuenta el resto de parámetros de la instalación. Por

ejemplo, sobre dos placas de 180 W, se prefiere una placa de 16% de eficiencia a

otra del 14%, aunque las dos placas vayan a producir lo mismo, 180 W. [12]

Sin embargo, la eficiencia debe ser entendida como la cantidad de potencia en

watts que da la placa, por m2 de superficie, esto es, un índice de densidad

energética.

Sin embargo cuando no hay problemas de terreno el parámetro de la eficiencia no

tiene sentido, pudiendo elegirse una placa de eficiencia inferior con el ahorro

económico correspondiente.

Fig. 11.Corte transversal de un panel fotovoltaico

Las características eléctricas de los paneles solares, incluyen numerosos

parámetros, por citar algunos, incluye el tipo de célula y número, así como su

interconexión. Caja de conexiones, tipo y grado IP de protección, la potencia

nominal, máxima y mínima garantizada, el voltaje de circuito abierto, intensidad de

cortocircuito, corriente y tensión máxima de potencia y tensión máxima del sistema

interconectado. También el fusible, diodos bypass, cableado de conexión y

33

longitud, los conectores y tipo, eficiencia del panel, la tolerancia de la potencia

máxima y los coeficientes de temperatura.

La medida más interesante es la eficiencia del panel, o qué porcentaje de energía

de la luz que incide en el panel se convierte en electricidad. La eficiencia de la

célula solar no es igual a la eficiencia del panel. La eficiencia del panel es

generalmente de 1 a 3% inferior a la eficiencia de células solares debido a la

reflexión de vidrio, marco de sombra, las temperaturas más altas, etc. [13]

Una segunda medida del rendimiento es la tolerancia de potencia, que indica el

rango de potencia nominal.

La tercera medida importante es el rendimiento de los coeficientes de temperatura

que muestran cómo los resultados del panel seguirán los cambios de temperatura.

CAPÍTULO III

SISTEMAS DE ILUMINACIÓN

En este capítulo se realizara el diseño del sistema de iluminación, se

determinara el número de luminarias necesario para los niveles de

iluminación establecidos, se determinara la potencia total del sistema,

así como una comparativa entre luminarias LED y fluorescentes.

35

3 Diseño del sistema de iluminación

3.1 Introducción

A lo largo de este capítulo se realizara el diseño y descripción del nuevo sistema

de iluminación para la Unidad de Informática “La Isla”, utilizando equipos de bajo

consumo, de tecnología LED, apegándose a la normatividad aplicable, para

obtener los niveles de iluminación requeridos para la correcta realización de las

tareas que se desarrollen dentro del inmueble.

La figura 12 muestra las condiciones poco favorables en las que se encontró el

sistema de alumbrado dentro de las instalaciones de “La Isla”, entre lo que se

puede observar, destaca el insuficiente número de luminarias y el mal estado en

que estas se encuentran.

Fig. 12.Instalaciones de la Unidad de Informática de la ESIME Zacatenco

Para el desarrollo de este proyecto de iluminación, se necesitó la recopilación de

una serie de datos, para definir las características que requería el proyecto.

36

3.2 Normatividad aplicable

3.2.1. NOM-025-STPS-2008; Condiciones de iluminación en centros de

trabajo.

El nivel de iluminación es quizá la característica más importante a considerar al

realizar un proyecto de iluminación, ya que de esto dependerá que las tareas

visuales se puedan realizar a plenitud, con eficiencia y sobre todo seguridad, es

que debemos tomar en cuenta las tareas que se desarrollaran en las distintas

zonas del inmueble, el detalle que estas requieren y la velocidad con que deben

ser realizadas, así como el tiempo durante el cual será realizada dicha tarea, con

el fin de evitar fatiga visual.

Los niveles de Iluminación que con los que se deberá cumplir se encuentran

establecidos en la NOM-025-STPS-2008; Condiciones de iluminación en centros

de trabajo, emitida por la Secretaria del Trabajo y Previsión Social. [8]

A continuación se muestra en la tabla 1 los niveles mínimos de iluminación para

centros de trabajo donde se puede observar que para el caso de salas de computo

se requiere un nivel de 500 lx y para talleres de alta precisión se requiere un nivel

de 750 lx.

37

Tabla 1.Condiciones de iluminación en centros de trabajo

Tarea Visual del Puesto de Trabajo Área De Trabajo Niveles Mínimos

de Iluminación (Lux)

En exteriores: distinguir el área de

tránsito, desplazarse caminando,

vigilancia, movimiento de vehículos.

Áreas generales exteriores: patios y

estacionamientos. 20

En interiores: distinguir el área de tránsito,

desplazarse caminando, vigilancia,

movimiento de vehículos.

Áreas generales interiores: almacenes de

poco movimiento, pasillos, escaleras,

estacionamientos cubiertos, labores en

minas subterráneas, iluminación de

emergencia.

50

En interiores. Áreas de circulación y pasillos; salas de

espera; salas de descanso; cuartos de

almacén; plataformas; cuartos de

calderas

100

Requerimiento visual simple: inspección

visual, recuento de piezas, trabajo en

banco y máquina.

Áreas de servicios al personal:

Almacenaje rudo, recepción y despacho,

casetas de vigilancia, cuartos de

compresores y pailería. 200

Distinción moderada de detalles: ensamble

simple, trabajo medio en banco y

máquina, inspección simple, empaque y

trabajos de oficina.

Talleres: áreas de empaque y ensamble,

aulas y oficinas. 300

Distinción clara de detalles: maquinado y

acabados delicados, ensamble e

inspección moderadamente difícil, captura

y procesamiento de información, manejo

de instrumentos y equipo de laboratorio.

Talleres de precisión: salas de cómputo,

áreas de dibujo, laboratorios.

500

Distinción fina de detalles: maquinado de

precisión, ensamble e inspección de

trabajos delicados, manejo de

instrumentos y equipo de precisión,

manejo de piezas pequeñas.

Talleres de alta precisión: de pintura y

acabado de superficies, y laboratorios de

control de calidad. 750

Alta exactitud en la distinción de detalles:

ensamble, proceso e inspección de piezas

pequeñas y complejas y acabado con

pulidos finos.

Áreas de proceso: ensamble e inspección

de piezas complejas y acabados con

pulido fino. 1,000

Alto grado de especialización en la

distinción de detalles.

Áreas de proceso de gran exactitud.

2,000

38

3.2.2 NOM-007-ENER-2004; Eficiencia energética en sistemas de alumbrado

en edificios no residenciales

Otra norma que se utilizó en el diseño de este proyecto fue la NOM-007-ENER-

2004, de donde se obtienen los valores de Densidad de Potencia Eléctrica para

Alumbrado (DPEA) con los que se debe cumplir en sistemas de alumbrado

interior. [14]

En la tabla 2 se muestran los niveles máximos de Densidad de Potencia Eléctrica

para Alumbrado en donde se observa que para el caso de oficinas no debe

exceder los 14 W/m2 y en escuelas no debe ser mayor a 16 W/m2.

Tabla 2.Eficiencia energética en sistemas de alumbrado en edificios no residenciales

Tipo de edificio DPEA (W/m2)

Oficinas

Oficinas 14

Escuelas y demás centros docentes

Escuelas o instituciones educativas 16

Bibliotecas 16

Establecimientos comerciales

Tiendas de auto servicio, departamentales y de especialidades 20

Hospitales

Hospitales, sanatorios y clínicas 17

Hoteles

Hoteles 18

Moteles 22

39

3.3 Distribución de zonas de iluminación en la Unidad

Computacional de la ESIME Zacatenco “La Isla”

El proyecto consiste en el diseño del sistema de iluminación de la isla. A

continuación se presenta el plano arquitectónico de la unidad, donde se muestran

las diferentes zonas en las cuales se encuentra seccionada la Unidad

Computacional, para realizar el estudio luminotécnico y así decidir la óptima

ubicación de las luminarias dentro de cada zona.

Fig. 13.Plano estructural de la Unidad Computacional de la ESIME Zacatenco

40

A fin de realizar la distribución de luminarias el inmueble se dividió en 10 zonas y

se consideró la NOM-025-STPS-2008 para seleccionar los niveles mínimos de

iluminación para cada una de las mismas.

Previamente a la realización del estudio luminotécnico y como se muestra en la

figura 14 se utilizó un luxómetro para la medición de los niveles actuales de

iluminación que se presentan en las diferentes zonas de análisis de la Unidad

Computacional.

Fig. 14.Medición de los niveles actuales de iluminación

Con estas mediciones se pudo comprobar que los niveles de iluminación que

actualmente presenta la Unidad Computacional de la ESIME Zacatenco se

encuentran por debajo del mínimo establecido en la NOM-025-STPS-2008, en

algunos casos las lecturas son muy inferiores al mínimo requerido.

En la tabla 3 se muestran las dimensiones (largo, ancho y altura) así como el nivel

de iluminación actual y el nivel mínimo requerido por zona.

41

Tabla 3. Zonas de la Unidad Computacional

Zona Ancho [m] Largo

[m]

Altura

[m]

Nivel de

iluminación

actual

[lx]

Nivel de

Iluminación

Mínimo

[lx]

1

Laboratorio de diseño

7.10 10.70 2.60 215 500

2

Sala intermedia

7.10 10.70 2.60 175

500

3

Jefatura/Laboratorio

/Apoyo (UTE)

7.10 10.70 2.60 295

500

4

Server

2.60 6.25 2.60 250 300

5

Servicios

2.60 6.25 2.60 280

300

6

Pabellón tecnológico

7.00 5.30 2.60 240

500

7

Soporte técnico

4.40 8.00 2.60 215 750

8

Secretarial/Espera

/Jefatura Unidad

9.90 8.00 2.60 230

500

9

Bodega/Almacén

/Sanitarios

2.65 6.15 2.60 40 50

10

Pasillo

16.20 8.00 2.60 127 100

Como se puede apreciar en la tabla anterior, únicamente el área de los pasillos, se

encuentra dentro de los niveles de iluminación establecidos por norma.

42

3.3.1 Selección de luminarias para salas de cómputo y oficinas (Zonas 1- 8)

Para la selección de las luminarias a instalar en las zonas de; Laboratorio de

diseño, Sala Intermedia, Jefatura/Laboratorio/Apoyo (UTE), Server, Servicios,

Pabellón Tecnológico, Soporte Técnico, Secretarial/Espera/Jefatura Unidad se

consideraron tres tipos de lámparas: lámpara tubular fluorescente promedio,

lámpara LUMIX T8 de OSRAM, y lámpara de tecnología LED, Smartform LED de

PHILIPS.

Para este proyecto se seleccionó la luminaria Smartform LED debido a su menor

consumo de energía, eficiencia, equipos más ligeros, mayor tiempo de vida y tipo

de montaje.

En la tabla 4 se muestra la comparación entre las tres luminarias consideradas.

Donde se observa que la potencia de la luminaria de tecnología LED, es menor a

las luminarias fluorescentes considerando que por gabinete se utilizan de 2 a 4

tubos fluorescentes, con lo cual una luminaria formada por 2 tubos T8 Slimline por

lo que tendría una potencia total de 64 W por luminaria.

Por otra parte podemos observar que el tiempo de vida útil de las luminarias LED

puede prolongarse hasta por 50000 horas, al ser empleadas al 70% del flujo

luminoso, esto puede lograrse fácilmente aprovechando la luz diurna y utilizando

el sensor de luz ACTILUME, el cual es capaz de regular el flujo luminoso de la

luminaria para prolongar su tiempo de vida.

Además las luminarias LED están libres de mercurio, con lo que no se daña el

medio ambiente ni se pone en riesgo a la salud.

43

Tabla 4.Comparativa de luminarias

Smartform LED LUMIX T8 T8 Slimline

Potencia* (W) 47 58 2x32

Flujo luminoso (Lm) 3700 5200 2x2950

Vida Útil (hrs) 30000** 20000 20000

Balastro No Si Si

Mercurio No Si Si

*Potencia para una sola lámpara, luminarias fluorescentes incluyen de 2 a 4

lámparas.

**Hasta 50000 hrs al 70% del flujo luminoso.

La Smartform LED BBS464 de la marca PHILIPS es una luminaria que por ser de

alta eficiencia, diseñada para adaptarse a una amplia variedad de techos, además

de poseer un novedoso sistema de control de iluminación, así como un muy

prolongado tiempo de vida se recomienda para este tipo de proyectos de

iluminación en interiores.

En la figura 15, se puede observar el diseño del módulo Smartform LED,

dimensiones de 60x60cm e instalación empotrada.

Fig. 15.Luminario Smartform LED

44

3.3.2 Iluminación de pasillos, almacén bodega y sanitarios (Zonas 9-10)

Por otra parte para las zonas de tránsito y servicios generales (almacén y

sanitarios) se opta por un tipo de luminario distinto, igualmente basado en

tecnología LED, de la familia LuxSpace Compact, la BBS490 de PHILIPS, debido

a su eficiencia, posibilitando una eficiente iluminación general de espacios con un

consumo reducido permitiendo considerables ahorros de energía.

De instalación empotrable y con un diámetro de 21 cm, como se muestra en la

figura 16, se convierte en la elección óptima para iluminar este tipo de zonas.

Fig. 16.Luminario LuxSpace Compact

Los datos técnicos de ambas luminarias se muestran en el anexo A:

45

3.4. Herramienta de cómputo para el estudio luminotécnico de la

unidad de informática “La Isla”.

Para la realización del estudio luminotécnico de las distintas zonas en que fue

seccionada la Unidad Computacional de la ESIME Zacatenco, se apoyó en el uso

del software computacional DIALux, desarrollado por DIAL GmbH, en su versión

4.11, el cual nos permite realizar los cálculos de distribución de luminarias y

niveles de iluminación en forma precisa [15].

Fig. 17.Software DIALux versión 4.11

Para el estudio luminotécnico, se le proporcionaron los siguientes datos al paquete

computacional de DIALux:

Dimensiones de las zonas (largo, ancho y altura).

Altura del plano útil.

Porciento de reflexión de suelo, techo, paredes, puertas y ventanas.

Modelos de luminarias a utilizar.

Los resultados obtenidos de este análisis, presentados zona por zona, fueron los

siguientes:

Nivel de intensidades lumínicas.

Valor de eficiencia energética.

Flujo luminoso total.

Potencia total.

Factor de mantenimiento.

Numero de luminarias utilizadas.

Plano de distribución de luminarias.

46

3.5. Diagrama de densidad lumínica y cónico de luminarias

Enseguida se presentan los diagramas de densidad lumínica y cónico de ambos

modelos de luminarias utilizadas, en los cuales se puede apreciar el valor de la

intensidad en candelas de las circunferencias concéntricas así como los niveles de

intensidad luminosa dependiendo el diámetro cónico.

Luminaria: PHILIPS BBS464 W60L60

Fig. 18.Diagrama de densidad lumínica

Fig. 19.Diagrama cónico

47

Luminaria: PHILIPS BBS490

Fig. 20.Diagrama de densidad lumínica

Fig. 21.Diagrama cónico

48

3.6 Cálculo de la iluminación de la unidad de informática

utilizando el programa DIALux.

3.6.1 Laboratorio de Diseño (Zona 1)

En la figura 22 se aprecia el nivel de intensidad luminosa alcanzado en todos los

puntos de la zona 1, a su vez en la figura 23 se muestra la distribución de

luminarias a lo largo de la superficie.

Fig. 22.Niveles de intensidad luminosa en Zona 1

Fig. 23.Ubicación luminarias Zona 1

49

Los resultados del estudio luminotécnico –Flujo luminoso total, potencia total, nivel

de iluminación, número de luminarias utilizadas y valor de eficiencia energética- se

muestran en la tabla 5.

Tabla 5.Resultados luminotécnicos Zona 1

Flujo luminoso total: 55500 lm Potencia total: 705.0 W Factor mantenimiento: 0.67

Superficie [%] Em [lx] Emin

[lx] Emax [lx] Emin /

Em

Plano útil

/

581

298

676

0.513

Suelo

50

554

334

656

0.602

Techo

76

232

78

292

0.337

Paredes (5)

79

312

158

445

/

Lista de piezas - Luminarias

N° Pieza Designación (Factor de corrección)

(Luminaria) [lm] (Lámparas) [lm] P [W

1

15 PHILIPS BBS464 W60L60 1xLED48/840 AC-MLO (1.000)

3700

3700 47.0

Total: 55500 Total: 55500 705.0

Valor de eficiencia energética: 9.26 W/m² = 1.59 W/m²/100 lx (Base: 76.16 m²)

50

3.6.2 Sala Intermedia (Zona 2)




Fig. 24.Niveles de intensidad luminosa Zona 2


51






Superficie [%] Em [lx] Emin [lx] Emax [lx] Emin / Em

Plano útil

/

556

215

696

0.388

Suelo

50

501

207

643

0.414

Techo

76

147

52

213

0.357

Paredes (4)

12

246

93

399

/

Plano útil: Altura: 0.750 m Trama: 64 x 64 Puntos



(Luminaria) [lm] (Lámparas) [lm] P [W]

1


3700

3700 47.0

Total: 55500 Total: 55500 705.0


52

3.6.3 Jefatura/Laboratorio/Apoyo (UTE) (Zona 3)






53







Plano útil

/

687

331

804

0.481

Suelo

50

653

391

772

0.599

Techo

76

273

105

344

0.385

Paredes (4)

79

366

185

526

/





1


3700

3700 47.0

Total: 55500 Total: 55500 705.0


54

3.6.4 Server (Zona 4)






55







P ano útil

/

391

227

533

0.581

Suelo

50

340

237

393

0.696

Techo

76

147

74

171

0.504

Paredes (4)

79

211

98

306

/





1


3700

3700 47.0

Total: 7400 Total: 7400 94.0


56

3.6.5 Servicios (Zona 5)






57







Plano útil

/

398

229

538

0.576

Suelo

50

346

237

398

0.685

Techo

76

155

82

181

0.532

Paredes (4)

79

216

123

311

/





1


3700

3700 47.0

Total: 7400 Total: 7400 94.0


58

3.6.6 Pabellón tecnológico (Zona 6)






59







Plano útil

/

530

288

640

0.543

Suelo

50

494

321

600

0.649

Techo

76

218

148

273

0.678

Paredes (4)

79

293

151

419

/





1

6

PHILIPS BBS464 W60L60 1xLED48/840 AC-MLO (1.000)

3700

3700

47.0

Total: 22200 Total: 22200 282.0


60

3.6.7 Soporte técnico (Zona 7)






61







Plano útil

/

815

424

1027

0.520

Suelo

50

757

494

910

0.653

Techo

76

311

112

399

0.361

Paredes (4)

79

449

211

776

/





1

9


3700

3700

47.0

Total: 33300 Total: 33300 423.0


62

3.6.8 Secretarial/Espera/Jefatura Unidad (Zona 8)






63







Plano útil

/

390

147

551

0.376

Suelo

50

357

218

428

0.610

Techo

76

120

46

168

0.380

Paredes (8)

79

197

82

524

/





1

6


3700

3700

47.0

Total: 22200 Total: 22200 282.0


64

3.6.9 Bodega/Almacén/Sanitarios (Zona 9)






65





Flujo luminoso total: 7362 lm

Potencia total: 140.0 W

Factor mantenimiento: 0.80


Plano útil

/

360

223

502

0.619

Suelo

50

336

224

464

0.666

Techo

76

158

116

189

0.735

Paredes (4)

79

213

118

411

/





1

4

PHILIPS BBS490 1xDLED-3000 PG (1.000)

1840

2045

35.0

Total: 7362 Total: 8180 140.0


66

3.6.10 Pasillo (Zona 10)






67







Plano útil

/

150

65

231

0.432

Suelo

50

150

61

224

0.409

Techo

76

69

40

125

0.579

Paredes (10)

79

88

40

362

/





1

7

PHILIPS BBS490 1xDLED-3000 PG (1.000)

1840

2045

35.0

Total: 12883 Total: 14315 245.0


68

3.7 Distribución general de luminarias y flujo luminoso

En la figura 42 se presenta un plano general de la Unidad Computacional de la

ESIME Zacatenco donde se muestra la distribución del flujo luminoso, así como

los niveles de iluminación que se obtuvieron en cada una de las zonas analizadas,

además de la ubicación de las luminarias requeridas para obtener los niveles de

intensidad luminosa y valores de eficiencia energética establecidos por las normas

NOM-025-STPS-2008 y NOM-007-ENER-2004.

Fig. 42.Plano general de niveles de iluminación por zonas de estudio

69

3.8 Tablero, circuitos derivados y selección de interruptores

termomagnéticos

Como parte final del estudio se distribuirá la carga del sistema en un número

determinado de circuitos derivados, así como los interruptores termomagnéticos

adecuados para la protección de cada uno de estos circuitos, los cuales se

incluirán en un tablero de control.

3.8.1. Selección de termomagnético

70 Luminarias de 47 W

11 Luminarias de 35 W

f.p. = 0.9

Para el cálculo de la carga total, se multiplica la carga de cada luminaria por el

número total de luminarias.

( )( ) ( )( )

Considerando factor de potencia de 0.9

Tratándose de una carga continúa se considera un 125% de la carga, acorde con

el artículo 220-3 de la NOM-001-SEDE-2005.

Calculamos la corriente que va a circular por el circuito alimentador

Un interruptor termomagnético de 15 A, puede conducir 15x0.8=12 A

Cantidad mínima de interruptores

Por razones operativas, se decide que existan 3 circuitos derivados.

El tablero de acuerdo con el artículo de la 384-15 NOM-001-SEDE-2005,

contendrá 3 circuitos derivados de 15 A.

70

3.8.2 Cuadro de cargas

3.9 Comparativa energética

Para obtener una comparativa del consumo energético entre luminarias

fluorescentes y luminarias LED, se repitió el mismo estudio luminotécnico,

siguiendo los mismos principios, pero con la diferencia del uso de típicas

luminarias de lámparas fluorescentes, buscando obtener los niveles de iluminación

establecidos por norma para cada una de las distintas zonas y así poder comparar

Cuadro De Carga Total Instalada Para La Iluminación

Zonas

Luminarias Carga Total

Luminarias

[W]

Carga

Total

Circuito

[W]

Corriente

Carga

Continua

[W]

Interruptor

Termomagnético 47W 35W

Tab

lero

1

C1

Zona 1 15 0 705 1410 8.90 1x 15

Zona2 15 0 705

C2

Zona 3 15 0 705

1175 7.42 1x15 Zona 4 2 0 94

Zona 5 2 0 94

Zona 6 6 0 282

C3

Zona 7 9 0 423

1090 6.88 1x15 Zona 8 6 0 282

Zona 9 0 4 140

Zona 10 0 7 245

71

el ahorro de energía entre luminarias de lámparas fluorescentes y luminarias de

tecnología LED, se utilizó la lámpara LUMIX T8 de OSRAM, y se los resultados

obtenidos se muestran en la tabla 3.5.

Tabla 15.Comparativa energética

Carga total instalada por zona [W]

Zona Luminaria LED Luminaria

fluorescente Diferencia

1 705 1216 511

2 705 1520 815

3 705 1216 511

4 94 304 210

5 94 304 210

6 282 684 402

7 423 684 261

8 282 912 630

9 140 240 100

10 245 278 33

Total 3675 7358 3683

Por lo anterior se observa que, se tiene un ahorro de 3683 W utilizando luminarias

LED, el cual se pretende sea mayor utilizando un sensor de presencia capaz,

además, de reducir la intensidad del flujo luminoso, con lo cual evitar que las

luminarias estén encendidas cuando estén en uso y alargar el tiempo de la vida de

las luminarias hasta 50000 horas.

CAPÍTULO IV

DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO

En este capítulo se realizara el diseño del sistema fotovoltaico,

determinando el número de paneles necesarios, así como las

características que deberán tener el resto de los componentes del

sistema de generación.

73

4 Diseño del sistema fotovoltaico

4.1 Introducción

Durante este capítulo se llevara a cabo el diseño del sistema de generación

fotovoltaico que alimentara al sistema de iluminación de la Unidad de Informática

de la ESIME Zacatenco, diseñado en el capítulo 3, “La Isla” se ubica dentro de la

Unidad Profesional Adolfo López Mateos del Instituto Politécnico Nacional, Zona

Zacatenco, la figura 43 permite visualizar la ubicación geográfica de la misma.

Se buscara los equipos óptimos de generación fotovoltaica, para satisfacer la

demanda de los equipos de iluminación a través de un sistema autónomo,

independiente de la red eléctrica.

Fig. 43.Ubicación geográfica de “La Isla”

74

4.2 Nivel de radiación solar

Para la estimación del nivel de irradiación solar se consideran los datos

proyectados en la tabla 16, en la se puede apreciar que la ubicación del proyecto,

dentro de la Ciudad de México, recibe una radiación solar promedio de 5.06

kWh/m²día, según la aplicación RETScreen International, del Ministerio de

Recursos Naturales de Canadá, certificada por la Administración Nacional de

Aeronáutica y del Espacio, NASA, para el año 2012. [16]

Tabla 16.Niveles de radiación solar sobre la ubicación del proyecto

Unidad

Ubicación de datos

climáticos

Ubicación del

Proyecto

Latitud ˚N 19.4 19.4

Longitud ˚E -99.1 -99.1

Elevación m 2,235 2,235

Mes Radiación solar diaria

- horizontal

kWh/m²/día

Enero 4.56

Febrero 5.31

Marzo 6.00

Abril 5.86

Mayo 5.61

Junio 5.47

Julio 5.06

Agosto 5.00

Setiembre 4.53

Octubre 4.61

Noviembre 4.47

Diciembre 4.22

Anual 5.06

75

4.3 Estimación de uso de la carga del sistema de iluminación

En la tabla 17 se muestran los datos de las cargas que serán alimentadas por este

sistema fotovoltaico, como la potencia total demandada por el sistema, y el

consumo eléctrico diario aproximado, considerando el uso de los sensores de las

luminarias y en base a la estimación de las horas de uso promedio de las

luminarias en cada una de las distintas zonas.

Tabla 17.Calculo del consumo eléctrico

Zona Potencia Total [W]

Horas de Uso

Diario

Consumo Promedio Diario

[kWh/día]

1 705 8 5.6

2 705 5 3.5

3 705 8 5.6

4 94 3 0.28

5 94 3 0.28

6 282 8 2.2

7 423 10 4.2

8 282 10 2.8

9 140 2 0.28

10 245 12 2.9

Total 3675

27.64

Con esto consideramos una carga media de 27.64 kWh/día a la cual agregaremos

un 10% de margen de seguridad, con el fin de evitar una sobrecarga del sistema.

(1)

Dónde:

LmdAC : Carga media considerando margen de seguridad

76

Aplicando los factores de corrección, la carga media está dada por:

(2)

Dónde:

: Carga media corregida

: Eficiencia del inversor

: Eficiencia de la batería

: Eficiencia del conductor

: Eficiencia por temperatura

Estos datos son obtenidos de la ficha técnica de los equipos, proporcionada por

los fabricantes de los mismos.

4.4 Dimensionamiento de los componentes

Dentro de los sistemas fotovoltaicos, generalmente los niveles de tensión en

corriente directa utilizados más comúnmente son 12, 24 o 48 V, para este caso,

considerando que el sistema deberá producir una cantidad relativamente grande

de energía se elige trabajar con un nivel de tensión de 48 V. Como principal

ventaja, tenemos, que al aumentar el nivel de tensión disminuye la corriente en los

conductores del sistema fotovoltaico.

4.4.1 Paneles fotovoltaicos

A partir del consumo eléctrico real calculado, la cantidad de paneles solares

necesarios para el óptimo funcionamiento del sistema se calcula considerando que

la generación de energía tendrá la capacidad de abastecer la carga conectada a

dicho sistema.

77

Para definir la cantidad de paneles solares previamente se debe seleccionar la

potencia nominal de los mismos, para esto se deben considerar varios factores,

por ejemplo, si se elige un modelo de panel de baja potencia se tendrá un precio

menor, pero se requerirá un mayor número de unidades para satisfacer la carga,

por el contrario un panel de mayor potencia representa un costo mayor, pero a la

vez un menor número de unidades requeridas.

Para este proyecto, considerando la superficie que se tiene para la instalación de

los paneles solares, se optó por un panel de 280 W, con la finalidad de reducir el

número de unidades necesarias para satisfacer la carga instalada.

4.4.2 Calculo del número de paneles fotovoltaicos

A continuación se calculara el número de paneles de 280 W de potencia

necesarios para abastecer de energía al sistema de iluminación.

Sabiendo que el nivel de irradiación solar que se tiene en la Ciudad de México en

promedio es de 5.1 kWh/m²/día y se tiene, por la latitud de la ubicación, una

inclinación de paneles de 19° entonces:

Promedio: 5.1 kWh/m²/día

Geometría de Inclinación: 19° ~ 20%

Entonces:

(3)

Dónde:

= Irradiación solar en horas de sol pico

78

Una vez corregido el nivel de irradiación solar recibida por los paneles, podemos

calcular el número total de estos.

(4)

Dónde:

: Potencia pico del modulo

: Irradiación solar en horas de sol pico

: Factor global de funcionamiento

4.4.3 Topología de paneles solares

Conociendo el nivel de tensión máximo del panel, de acuerdo con las hojas del

fabricante, para el modelo de panel seleccionado tenemos un nivel de 37.82 V, por

lo tanto.

(5)

(6)

Dónde:

: Tensión de operación de las baterías

: Tensión máxima del modulo

79

Considerando que las dimensiones de cada módulo fotovoltaico son: 1956mm x

991mm, tendremos un arreglo como se muestra en la figura 44.

Fig. 44.Topología de paneles fotovoltaicos

4.4.4 Banco de baterías

Una parte vital para la autonomía del sistema fotovoltaico es el banco de baterías,

ya que estos equipos permiten almacenar la energía eléctrica generada por los

paneles fotovoltaicos y poder mantener la autonomía del sistema en caso de que

no se presenten las condiciones de irradiación por determinados periodos de

tiempo.

Primeramente se deberá realizar el cálculo del consumo de energía medio.

(7)

Dónde:

: Consumo de energía medio

: Carga media corregida


80

Posteriormente calculamos los amperes por hora demandados por el sistema,

considerando 5 días de autonomía.

(8)

Dónde:

: Amperes por hora demandados

: Número de días de autonomía

: Potencia de consumo


: Factor de utilización

: Factor de incremento de capacidad

: Eficiencia del inversor

Entonces, conociendo las características, de la batería seleccionada,

proporcionadas en la hoja de datos del fabricante, sabemos que las baterías

poseen una tensión nominal de 12 V y 350 Ah, por lo tanto podemos calcular la

topología del banco de baterías.

81

(9)

Dónde:

: Amperes por hora demandados

: Amperes por hora entregados

Dada la tensión de operación de 48 V del sistema y la tensión nominal de 12 V las

baterías se calcula el número de baterías en serie requeridas para alcanzar este

nivel de tensión.

(10)

Dónde:


: Tensión nominal de las baterías

82

Por lo que se tiene un banco de baterías de 44 unidades, en figura 45 se aprecian

las potenciales dimensiones que tendría un banco de baterías, si cada una de

estas mide 27.2cm x 20.8.

Fig. 45.Topología banco de baterías

4.4.5 Reguladores de carga

El dimensionamiento del regulador de carga se realizara en base a la corriente de

cortocircuito del generador fotovoltaico, la corriente de corto circuito de cada

panel, obtenida de las hojas de datos del fabricante, es de 8.32 A, por lo que se

calculara la máxima corriente de corto circuito del generador.

(11)

Dónde:

: Corriente de corto circuito del panel

( )( )( )

Como la mayoría de reguladores comerciales no excede los 50 A de capacidad, se

puede realizar un arreglo de 3 unidades que deberán conectarse en paralelo.

83

4.4.6 Inversor

Esta es la parte final del sistema, el núcleo operativo del sistema fotovoltaico y la

cual suministrara la energía al sistema fotovoltaico, su función, como su nombre lo

indica, es convertir la energía eléctrica generada en corriente continua, en

corriente alterna para su utilización.

La potencia del inversor debe seleccionarse de acuerdo con la aplicación del

dispositivo, las corrientes de arranque deben ser cubiertas por la potencia máxima

del inversor, se recomienda sobredimensionar el inversor por la posible conexión

de cargas adicionales.

Se selecciona una tensión de 48 V para el sistema, debido a la alta potencia que

será requerida, por regla general, los inversores trabajan de forma más efectiva

con una tensión de entrada más alta, resultando un mejor coeficiente de

rendimiento.

Calculando la potencia del inversor.

(12)

Dónde:

MS: Margen de seguridad

: Potencia consumida

Por lo que es requerido un inversor con un nivel de potencia de 5000 W o superior,

el cual nos pueda proporcionar un nivel de tensión de 220 V a una frecuencia de

60 Hz.

Actualmente tanto el regulador de carga y el inversor pueden encontrarse, ambos

en un solo equipo, con lo que es posible reducir el espacio necesario para la

84

instalación del sistema, de igual forma que teniendo los equipos por separado se

deberá seleccionar dependiendo de las características que sean requeridas para

el óptimo funcionamiento del sistema fotovoltaico, además de que los inversores

de última generación imitan la forma de onda senoidal como si fuera

proporcionada por la red eléctrica.

4.5 Resultados del cálculo de elementos del sistema fotovoltaico

Una vez que se han calculado el número total de paneles fotovoltaicos, la forma y

el arreglo de cómo estos serán conectados, el número total de baterías necesarias

para el banco de baterías, el cual brindara la autonomía al sistema de hasta 5 días

en caso de que no se presenten las condiciones de irradiación solar esperadas,

así como las características con que deben cumplir tanto el regulador de carga,

como el inversor, para que el sistema de generación fotovoltaica funcione en

óptimas condiciones es posible realizar un resumen de los elementos necesarios

para este sistema.

28 Paneles fotovoltaicos de 280 W (2 serie y 4 paralelos).

44 Baterías de 12 V 350 A-h (4 serie y 11 paralelo)

3 Reguladores de carga de 50 A (Paralelo)

Inversos CD/CA de 5000 W de potencia.

85

En la figura 46 se muestra el diagrama unifilar del sistema fotovoltaico

interconectado al sistema de iluminación.

Fig. 46. Diagrama unifilar

CAPÍTULO V

CONCLUSIONES

En este capítulo se hace mención de los beneficios que se pueden

obtener de ser implementados los sistemas diseñados en capítulos

anteriores, además de realizar recomendaciones para el proyecto.

87

5 Conclusiones

Después de analizar los resultados obtenidos en los capítulos anteriores, se puede

concluir que el uso de luminarias de tecnología LED, dentro de las instalaciones

de la Unidad de Informática de la ESIME Zacatenco representaría un ahorro

energético considerable, ya que con la aplicación de un sistema de iluminación de

este tipo, manteniendo los niveles de iluminación establecidos por norma, se tiene

un ahorro del 50.1% en comparación con luminarias fluorescentes.

Además de que estos cambios permitirían incrementar los niveles de iluminación

actuales en salas de cómputo, laboratorios y oficinas, los cuales se encuentran

fuera de la normatividad vigente, logrando con esto mejorar las condiciones de

trabajo dentro del inmueble.

El ahorro de energía eléctrica logrado en un sistema de iluminación con estas

características, implica una menor demanda de energía eléctrica y en

consecuencia disminuir la necesidad de generación por parte del sistema

fotovoltaico, reduciendo así las emisiones de CO2 al ambiente.

Por otra parte se conseguiría una autonomía del sistema de iluminación de la red

eléctrica, lo que a su vez generaría un ahorro económico

5.1 Recomendaciones

Para prolongar la vida de las luminarias y mantener los niveles de iluminación

adecuados se recomienda, según la NOM-025-STPS-2008 establecer un

programa de mantenimiento de luminarias así como implementar una campaña de

concientización y racionalización del uso de la energía eléctrica.

Por otra parte se recomienda realizar un estudio económico del proyecto, ya que

al tratarse de nuevas tecnologías, los precios de estas en el mercado son

relativamente elevados, pero la inversión podría ser amortizada por el ahorro en el

consumo de energía a largo plazo

88

Referencias

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[4] OSRAM. Iluminación industrial. México, 2008,

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[8] Secretaria del trabajo y previsión social. NOM-025-STPS-2008; Condiciones de

iluminación en los centros de trabajo.

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[9] Raúl González G., Humberto R. Jiménez G. y Javier Lagunas M. Sistemas

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[10] TSKAN. Módulos fotovoltaicos. http://tskan.com/fabricacion-de-modulos-

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[11] Asociación Nacional de Energía Solar. Energía renovable. México.

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89

[12] FERNANDEZ Adolfo, Dudas sobre módulos fotovoltaicos. ECOdesarrollo.

http://ecodesarrollo.cl/portal1/index2.php?option=com_content&do_pdf=1&id=45

[13] APS Energías Renovables. Panel Fotovoltaico: Eficiencia y rendimiento.

Febrero 2010.

http://apsvalencia.com/2010/02/22/eficiencia-y-rendimiento-de-un-panel-solar-

certificaciones/

[14] Secretaria de energía. NOM-007-ENER-1995, Eficiencia energética para

sistemas de alumbrado en edificios no residenciales.

http://www.sener.gob.mx/res/Acerca_de/nom-007ener-1995.pdf

[15] DIAL. Manual del usuario de DIALux 4.9

http://community.lighting.philips.com/docs/DOC-1091

[16] RETScreen International. RETScreen Plus, RETScreen 4.

http://www.retscreen.net/es/home.php

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http://community.lighting.philips.com/docs/DOC-1091

http://www.retscreen.net/es/home.php

ANEXO A

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