Iluminación LED

Cómo seleccionar el sistema de iluminación LED adecuado para mejorar la seguridad en los ambientes más demandantes y peligrosos Las luminarias de diodos emisores de luz (LED) proporcionan grandes beneficios, como ahorros a largo plazo y mejoras en seguridad, gracias a su larga durabilidad y vida útil, costos de mantenimiento intrínsecamente más bajos y un encendido instantáneo en comparación con sistemas de iluminación tradicionales. Costos totales de operación más bajos y las mejoras en seguridad comprobadas, han sido la motivación principal en la industria para la progresiva sustitución de sistemas de iluminación tradicionales por luminarias con tecnología LED. Como sucede con cualquier nueva tecnología, existen desafíos en el diseño y mantenimiento de un sistema óptimo que pueda soportar las condiciones ambientales en una aplicación industrial.

Los desafíos y consideraciones comunes incluyen: • La distribución de las luminarias • La intensidad/dispersión/calidad de la luz • La gestión térmica • La selección de los materiales • Los sistemas redundantes de operación y seguridad. La probabilidad de éxito en potenciar al máximo la confiabilidad, seguridad y eficiencia de la tecnología LED en ambientes severos y peligrosos aumenta con el uso de principios y métodos de diseño comprobados. Los métodos de selección y los principios de diseño se explicarán con ejemplos reales del uso y con estudios de caso, en donde examinaremos las mejores prácticas y las falsas ideas de la selección y el uso de las luminarias LED al ser instaladas en ambientes severos y peligrosos.

Palabras clave: diodo emisor de luz (LED), controlador (driver), sodio de alta presión, haluro metálico, índice de reproducción cromática, curva de depreciación del lumen L70, descarga de alta intensidad (HID), Sociedad de Ingenieros de Iluminación de Norteamérica, grado de protección contra ingreso (IP), factor de potencia, distorsión armónica total.

Iluminación LED. Seguridad en entornos severos y peligrosos I. INTRODUCCIÓN Dentro de una instalación industrial hay zonas donde existe alta vibración, polvos, productos químicos y otras sustancias potencialmente explosivas. Estos factores afectan seriamente la vida útil y el funcionamiento de las luminarias situadas dentro de estos sitios. Por ejemplo, operaciones como el procesamiento y almacenamiento de granos dan como resultado una acumulación significativa de polvo, mientras que otras operaciones, como el procesamiento de químicos son ambientes altamente cáusticos. Para garantizar la seguridad de los trabajadores, es necesario realizar operaciones y servicios de mantenimiento rápidos a las luminarias que han dejado de funcionar correctamente. Conforme evoluciona la tecnología de la iluminación, ha habido mejoras en la vida útil, la eficiencia energética, el color y la seguridad. La iluminación LED para uso en aplicaciones peligrosas (clasificadas) y en la industria pesada debe diseñarse, fabricarse e instalarse de manera que garantice un funcionamiento confiable, seguro y efectivo en la vida útil de una luminaria.

II. DESEMPEÑO DEL LED A. Eficacia del sistema La eficacia de una luminaria LED es la efectividad total del sistema incluyendo los LEDs, el disipador térmico, el controlador (driver) y la óptica. La eficacia de una luminaria LED es típicamente del 25% al 30% menor en comparación al LED como componente individual, debido a las pérdidas térmicas, eléctricas y ópticas. Por ejemplo, la eficacia del LED como componente puede estar dentro de un rango de 140 a 150 lúmenes por watt, pero después de las pérdidas por eficiencia, la eficacia total del sistema puede estar en el rango de 100 a 105 lúmenes/watt. La Oficina de Rendimiento Energético y Energía Renovable del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE por sus siglas en Inglés) ha estimado que la eficacia de la tecnología LED a nivel componente alcanzará aproximadamente 220 lúmenes por watt para el año 2020 [1]. La eficacia del sistema LED se puede validar e interpretar exactamente si se integran los resultados de los informes de pruebas de esfera integradora y fotometría. B. Lúmenes vs. Lux Fuentes de iluminación tradicionales como HID, incandescente, fluorescente u otras, proporcionan una luz omnidireccional, mientras que la iluminación LED proporciona una luz direccional enfocada directamente en el área objetivo. El lumen es la cantidad de luz emitida en un ángulo

específico de una fuente de luz. El lux es la cantidad de luz emitida por una fuente por un metro cuadrado de área. La regulación 1926.56 (a) de la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) [2] establece que: Las áreas de construcción, rampas, corredores, pasillos, oficinas, talleres y almacenes estarán iluminados con niveles de entre 30 y 300 luxes (3-30 fc) mínimo en diferentes áreas. Además de estos estándares, muchas compañías en la industria de procesos tienen niveles significativamente mayores que los niveles mínimos de la OSHA. Una luminaria LED tendrá una emisión total de lúmenes más baja que su equivalente HID, esto debido a la gran cantidad de pérdidas de luz en el patrón luminoso omnidireccional de una luminaria HID tradicional. Algunos fabricantes de luminarias LED ofrecen los servicios de estudios de iluminación por computadora, esto con la finalidad de garantizar que se seleccione la luminaria LED apropiada para mantener los niveles de lux adecuados en el área de trabajo. Estos servicios proporcionan reportes e informes del desempeño esperado de un sistema de iluminación LED para una aplicación específica. Dicho análisis es especialmente útil cuando se implementa un proyecto de actualización HID a LED, en un área determinada, los estudios generalmente arrojan una necesidad de menos luminarias LED en comparación con la base instalada HID, pero garantizando los mismos niveles de iluminación gracias a la característica unidireccional de las luminarias LED.

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III. SELECCIÓN DE LOS ATRIBUTOS LED La vida útil es el periodo de funcionamiento antes de una falla, está basada en la combinación de la vida del LED y del controlador de la luminaria. La vida útil depende del más débil de los dos componentes, que es el controlador. Según la DOE, el 52% de las fallas en luminarias LED está relacionada con el controlador [3]. La vida nominal se define como el periodo de funcionamiento libre de mantenimiento de una luminaria LED bajo las peores condiciones de operación a una temperatura y operación (24/7) constante. La vida útil del LED se mide usando las curvas de depreciación del lumen. Cuando se fabrica un LED, este debe pasar una serie de pruebas durante 3,000, 6,000 y 10,000 horas. Estas pruebas las realiza un tercero y se examina el desempeño del LED bajo distintas temperaturas y amperajes. Después de cada intervalo de prueba, el fabricante recibe un reporte de prueba TM-21. Este reporte proporciona los detalles específicos sobre el desempeño del LED. El reporte TM-21 usa cálculos específicos para definir el reporte de Mantenimiento Lumen (LM-80). Después de seleccionar el LED para una luminaria, se mide su desempeño para validar la luz emitida, la temperatura del ensamble LED y del envolvente. Los datos del LM-80 son utilizados junto con estos parámetros para definir la vida útil L70 del LED. El L70 está definido como el número de horas después de las cuales la emisión de luz del LED se deprecia un 30%. Para asegurar una larga vida útil, las luminarias LED se deben fabricar con disipadores térmicos robustos y durables que permitan una transferencia térmica óptima del LED al medio ambiente. Por ejemplo, los disipadores térmicos con aletas son un excelente medio para disipar el calor y reducir la temperatura de los LED en las luminarias. Una gestión térmica efectiva asegura una mayor vida útil, menor depreciación lumínica y un cambio mínimo de color durante la vida de la luminaria LED. También garantiza temperaturas superficiales más bajas y códigos de temperatura (T-Rating) para una operación segura y confiable

en procesos industriales donde vapores, gases, polvos, fibras o partículas inflamables estén presentes. La figura 1 ilustra la relación entre la vida nominal y la vida útil. Duración nominal del sistema LED en comparación con su vida útil: Vida (Horas de Operación)

C. Vida nominal vs. vida útil

200,000

}

160,000 120,000 80,000

Vida Útil

Vida Nominal

40,000 0 0°C

25°C

30°C

35°C

40°C

45°C

55°C

Vida de la luminaria (Horas)

La vida útil puede variar de 60,000 a 170,000 horas, o de 7 a 20 años de operación libre de mantenimiento.

Fig. 1: Vida útil vs. vida nominal.

D. Vida útil del LED vs. HID La vida útil promedio de una lámpara de vapor de sodio de alta presión (VSAP) es de 24,000 horas (33 meses). La vida útil promedio de una lámpara de aditivos metálicos Pulse Start (AMPS) es de 30,000 horas (42 meses). Una luminaria LED equivalente tiene una vida útil promedio (L70) de 100,000 horas (138 meses). Además de duraderos, los LED no utilizan filamentos ni gases para generar luz, esto permite que la luminaria LED tenga una resistencia superior a la vibración y una vida útil más larga en comparación con luminarias HID. Así, al convertir las luminarias HID a LED en instalaciones de procesos industriales, se notarán visibles mejoras en la vida útil y costos de mantenimiento de los sistemas de iluminación. Esto brinda a una planta industrial o a una fábrica un entorno operativo más seguro, con emisión de luz más consistente, vida útil más larga y reducción del tiempo de inactividad de la maquinaria por mantenimiento a los sistemas de iluminación.

E. Desempeño eléctrico

F. Calidad de la luz

Para la alimentación de los LED se utilizan controladores o drivers, estos dispositivos disminuyen el voltaje de entrada y lo convierten de alimentación CA a CD. Los controladores pueden ser de voltaje constante o de corriente constante de salida. Las luminarias LED diseñadas para utilizar corriente constante de salida, aíslan la luminaria de fluctuaciones en la corriente y voltaje. Esto produce un funcionamiento confiable a lo largo del tiempo. Muchos controladores cuentan con protección contra sobretensión, que elimina la necesidad de dispositivos adicionales de protección (fusibles, por ejemplo). La redundancia de los controladores también puede garantizar un funcionamiento confiable con el tiempo. Múltiples controladores conectados a múltiples circuitos LED aseguran que una luminaria LED cuente siempre con LEDs o ensambles LED iluminados en el caso de que alguno de los controladores falle.

Debido a la naturaleza direccional de los LED, se deberán de incorporar al diseño de las luminarias LED ópticas personalizadas para cada arreglo o LED discreto. La óptica permite una distribución uniforme, mayor cobertura y más luz en el plano de trabajo con pérdidas mínimas. A su vez, esto resulta en un aprovechamiento máximo del espaciamiento y una disminución en la cantidad de luminarias necesarias para iluminar de manera efectiva el área de trabajo. Algunas de las ópticas comunes que se utilizan en la industria son:

Los controladores LED cuentan con un alto factor de potencia (FP) y una distorsión armónica total (THD) baja, dentro de un rango amplio de voltaje de entrada de 120-480 VCA. Los controladores más eficientes funcionarán con un FP por encima del 99% y una THD menor al 15%. Estas características de desempeño muestran la manera eficiente en que los controladores reducen la interferencia de equipos eléctricos y disminuyen la carga en un sistema eléctrico. F. Eficiencia energética Globalmente, los fabricantes industriales tienen costos más altos en electricidad, lo que ha inspirado al personal de ingeniería y mantenimiento a identificar soluciones de ahorro de energía. Con un gran número de instalaciones que cuentan con dispositivos HID en todo el mundo, los dispositivos de iluminación LED pueden proporcionar ahorros importantes de energía. Según el Departamento de Energía de Estados Unidos, “la energía total utilizada en luminarias para altos montajes, High Bay, fue aproximadamente de 1096 tBtu en 2012. Un cambio completo de tecnología a LED reduciría el uso de energía casi a la mitad, ahorrando aproximadamente 483 tBtu al año. Estos ahorros potenciales resultarían en un ahorro anual en costos de energía de $4.6 billones de dólares estadounidenses [4].” Por ejemplo, una luminaria de 175W AM instalada en una planta industrial requiere de una potencia de entrada de 208 watts. Con un espaciamiento de 3 metros por luminaria en un área de 37 metros cuadrados, se requieren 40 luminarias para iluminar dicho espacio. Considerando 208 watts por luminaria se requeriría de 8.3 kilowatts (kW) por área. Una luminaria LED que proporciona una iluminación equivalente a los 175W AM, requiere únicamente de una potencia de 98 watts. Al sustituir las 40 luminarias por tecnología LED, se requerirán 3.9 kW por área. Las luminarias LED dan como resultado un 53% de ahorro energético, además de contar con una vida útil tres veces superior en comparación con AM. Esto aumenta la seguridad a través de menores requerimientos de carga de energía eléctrica. La reducción total de potencia y amperaje debida a una mayor eficiencia energética del sistema de iluminación LED puede dar como resultado que en una planta industrial requiera menos tableros, interruptores, transformadores y conductores.

A. Tipo I. Distribución de haz de luz larga y rectangular para pasillos, corredores, rampas, puertos de carga, pasarelas, túneles, bandas transportadoras, etc. B. Tipo III. Patrón de distribución de luz semicircular en forma de riñón para montaje en corredores angostos que minimiza el desperdicio de luz sobre la pared. C. Tipo V. Patrón de distribución de luz circular para montaje colgante, a techo o a poste en altos o bajos montajes, en interiores o exteriores de plantas industriales, áreas de gran amplitud, almacenes, etc. Reproducción del color. Según la Sociedad de Ingenieros de Iluminación de Norteamérica (IESNA) [5] ”…medida del grado en que cambia el color de los objetos cuando son iluminados por la fuente de luz en comparación con el color de estos mismos objetos iluminados por una fuente de referencia, de temperatura de color comparable…” La reproducción del color indica el grado en que la fuente de luz muestra los colores verdaderos de los objetos que ilumina. Se expresa en términos de Índice de Reproducción Cromática (IRC) en una escala del 0 al 100. A mayor IRC, la gente y los objetos se ven más verdaderos [6]. Las luminarias de VSAP normalmente tienen un rango de reproducción de color muy bajo, en el orden de 22 IRC. Por ejemplo, en un área de mantenimiento donde el trabajador debe usar cables negros, blancos y verdes, un IRC bajo evitará la capacidad de discernir entre los cables blancos y verdes, lo que podría ocasionar una instalación incorrecta.

Los LED se fabrican y se prueban según el estándar C78.377-2008 del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI) [7], que define específicamente la temperatura del color y representación del color. Este proceso se llama discretización (binning). De tal manera que si en un área industrial de proceso se reemplazan las luminarias por iluminación LED con un IRC de 70, se proporcionará a los trabajadores un color tres veces más preciso para las revisiones de calidad, las lecturas de los calibradores y las tareas de precisión. Una representación del color mejorada brinda un ambiente laboral más seguro y mejora la calidad de vida del trabajador [8].

Fig. 2: Luminaria LED instalada en mina de potasa.

Fig. 3: Luminaria LED en lavado de alta presión.

H. Durabilidad y confiabilidad Un factor clave para la seguridad y la vida útil de las luminarias LED es el grado de protección contra ingreso (IP). Según el estándar 60529 del ANSI/IEC [9], la IP es el grado de protección que tiene una envolvente contra el acceso de sustancias peligrosas, agua y objetos sólidos extraños dentro de la envolvente. Actualmente existen en el mercado luminarias LED con un grado de protección contra ingreso IP66 que significa una protección total contra el ingreso de objetos extraños y chorros de agua. Una luminaria LED que cuenta con un rango de protección contra ingreso menor a IP66 no posee las mismas características de desempeño. La fabricación de luminarias robustas que eviten las fallas en áreas con presencia de polvos y donde exista un proceso de lavado de alta presión es esencial para la seguridad y el desempeño. Las figuras 2 y 3 muestran ejemplos de aplicaciones industriales severas para las luminarias LED.

IV. CASO DE ESTUDIO A pesar de que hay muchas aplicaciones para la iluminación LED en las instalaciones de proyectos nuevos en la industria, las modernizaciones que reemplazan a viejas tecnologías existentes, también están aumentando. Los autores han seleccionado una aplicación de modernización (retrofit), mejorando la iluminación de una dragalina móvil como ejemplo de un entorno extremadamente severo. La dragalina seleccionada en este caso de estudio está ubicada en una mina de carbón superficial, ubicada en el estado de Colorado, EE. UU. El sistema de energía en la mina se apoya de Tri-State Generation y Transmission Association, un proveedor mayorista de energía eléctrica propiedad de las 44 cooperativas eléctricas a las que da servicio. Tri-State genera y transmite electricidad a sus sistemas a través de un territorio de servicio de 200,000 millas cuadradas a lo largo de los estados de Colorado, Nebraska, Nuevo México y Wyoming. La dragalina existente funcionó durante muchos años con luminarias de aditivos metálicos tradicionales. Debido a la fuerte vibración y a otros problemas ambientales como la humedad, una amplia variación de temperatura, polvo y suciedad, la iluminación existente presentaba un problema importante en cuanto a mantenimiento. Las operaciones en el sitio no podían darse el lujo de perder producción o permanecer inactivas debido al alto costo, ya que el equipo funcionaba las 24 horas, los 7 días de la semana y los paros no programados para reemplazar los componentes en falla no eran una opción. La mina utilizaba reflectores HID de 1000 W y está interesada

Fig. 4. Fotografía de la mina con 16 reflectores LED.

en migrar a LED por cuestiones de mantenimiento y seguridad. Uno de los puntos clave es el tiempo que se tardaría el reemplazo y el costo que implicaría que el equipo estuviera fuera de operación (varios miles de dólares por hora) por estar en mantenimiento. El departamento de operaciones decidió reemplazar 16 reflectores HID por 16 reflectores LED en la pluma de la dragalina, como se muestra en la figura 4. Esta mejora dio como resultado más de $27,000 USD en ahorro inicial para la mina, incluidos $10,000 USD de ahorro en mantenimiento y $17,000 USD en ahorro de energía.

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V. CONCLUSIONES

VI. REFERENCIAS

Los LED de larga duración reducen los costos de mantenimiento y mejoran la seguridad al disminuir la necesidad de andamios y de otros equipos para cambiar frecuentemente las lámparas o balastros. Una menor necesidad de mantenimiento aumenta la seguridad y reduce la probabilidad de accidentes. Los LED de alta eficiencia energética proporcionan ahorros importantes de energía en la instalación. Con tantas instalaciones industriales que cuentan con grandes infraestructuras eléctricas para soportar las cargas de iluminación, la reducción del consumo de energía brinda una oportunidad para disminuir la huella de energía eléctrica y mejorar la seguridad gracias a una iluminación más efectiva. La reproducción de color del LED –en comparación con HID– aumenta la calidad, la seguridad y el desempeño en varias áreas de una instalación de proceso industrial. Las luminarias LED también proporcionan luz direccional enfocada en el área de trabajo, en comparación con la luz omnidireccional de HID. Esto aumenta los niveles de iluminación en el área de trabajo y reduce al mínimo la pérdida de luz por encima de la luminaria sin la necesidad del uso de reflectores adicionales. Estas características promueven el bienestar de los trabajadores y aumentan la seguridad del área de trabajo, gracias a una luz de mayor calidad.

[1] United States Department of Energy office of Energy Efficiency & Renewable Energy, April 2013, Solid-State Lighting Research / Develpment Multi-Year Program Plan http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ ssl_mypp2013_web.pdf, Washington, DC [2] Occupational Safety & Health Administration Regulation Standard 1926.56 Illumination https://www.osha.gov/pls/oshaweb/owadisp.show_docu ment?p_table=STANDARDS&p_id=10630 [3] United States Department of Energy Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, April 2013 (Revised May 2013), Adoption of Light-Emitting Diodes in Common Lighting Applications http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ ssl/ledadoption-report_2013.pdf, Washington, DC [4] Lighting Research Center Rensselaer Polytechnic Institute What is Color Rendering, February 2014 http://www.lrc.rpi.edu/programs/nlpip/lightinganswers/lig htsources/whatisColorRenderingIndex.asp# , Troy, NY [5] Illuminating Engineering Society of North America Light in Design – An Application Guide IES CP-2-10 http://www.ies.org/PDF/Education/LightInDesign.pdf , New York, NY [6] United States Department of Energy Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, April 2012, Solid State Lighting Standards and Guidelines http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ ssl_standards.pdf , Washington, DC [7] A Literature Review of the National Renewable Energy Laboratory, Effects of Natural Light on Building Occupants, July 2002 http://www.nrel.gov/docs/fy02osti/30769.pdf , Golden, CO

Devon Jenkins Eaton Crouse-Hinds Wolf y Seventh N. Streets Syracuse, NY 13221 USA [email protected]

Anshuman Bhargava Eaton Crouse-Hinds Wolf y Seventh N. Streets Syracuse, NY 13221 USA [email protected]

Raúl Ramos Eaton Crouse-Hinds Javier Rojo Gomez N. 1170 Mexico City, 09300 [email protected]

[8] United States Department of Energy Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, August 2013, Lifetime and Reliability http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ ssl/lifereliability_fact-sheet.pdf , Washington, DC [9] National Electrical Manufacturers Association ANSI/IEC Standard 60529-2004, November 2004, http://www.nema.org/Standards/ComplimentaryDocuments/ ANSI-IEC-60529.pdf, Rosslyn, VA