ALUMBRADO RURAL
Introducción
El alumbrado es un bien básico en países industriales. Mucha gente no puede imaginarse viviendo por la noche sin poder obtener luz pulsando un interruptor. Pero la red eléctrica no se extiende por muchas áreas rurales en los países en desarrollo, y no lo hará en un futuro cercano. Incluso en muchos barrios urbanos la gente tiene dificultades para acceder a fuentes de energía fiable ya que no están conectados a la red eléctrica o tienen fuentes de energía inestables. En muchos casos el alumbrado en las áreas rurales en los países en desarrollo se realiza por medio de velas o lámparas de keroseno. En algunos casos se utiliza Figura 1: Las lámparas de baja energía generadores alimentados por biogás, gasoil o sistemas ayudan a estudiar en Nepal. de energía renovable. Linternas alimentadas por pilas Foto: Practical Action Nepal. desechables y caras se usan como fuentes de luz portátil para uso intermitente. El acceso a productos energéticos modernos no es posible debido a las pobres cadenas de suministro existentes y las pocas posibilidades de financiación de consumidores y emprendedores.
¿Qué es la luz?
La luz es una radiación electromagnética: el ojo humano es sensible a un espectro de colores visibles, como los que se ven en el arco iris. Cuando todos estos colores se mezclan la luz que se ve es blanca. Los colores del extremo del azul y el violeta tienen un mayor grado de energía que los del otro extremo, el color rojo. Es necesaria más energía para producir los componentes azules y violetas de la luz que vemos como blanca. Por lo tanto la calidad de la luz (en términos de color) está influenciada por los requisitos de energía, si el color no importa, es más eficiente teóricamente usar luz naranja o roja, y de hecho es común este tipo de luz en los casos de alumbrado de calles donde se utilizan luces energéticamente eficientes llamadas luces de vapor de sodio. Para uso domestico la gente prefiere pagar más y tener luz blanca o cercana al blanco. La unidad de intensidad eléctrica o poder de iluminación de una fuente de luz en una dirección se llama candela. Sin ser una definición científica rigurosa para objetos prácticos se puede decir que una candela es la cantidad de luz producida por una vela de cera o parafina normal. El grado de luz emitida se miden en lumen, que se define como la cantidad de luz de una fuente de luz de una candela en un ángulo de un estereorradián (equivalente tridimensional del radián). Una aproximación para entenderlo mejor sería imaginar una vela de una candela rodeada de un cono con una abertura de 70 grados. Con esta abertura una iluminación de 1 metro cuadrado sería aproximadamente un lumen. Las lámparas se suelen medir en lúmenes. Otra unidad de medida utilizada para medir el alumbrado es el lux, que se corresponde con el área que puede alumbrar. El lux se suele utilizar indicando la intensidad de luz de una habitación más que la potencia de la lámpara.
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Alumbrado rural
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Métodos para alumbrar
Hay tres principios físicos principales para producir luz: Incandescencia Fluorescencia Electroluminiscencia La incandescencia se produce por el calor. Un objeto a una temperatura de 2000, 4000 o 6000 grados centígrados emite luz roja, amarilla y blanca respectivamente. Los ejemplos típicos son velas y lámparas que utilizan una llama (donde la cera blanca o las partículas de carbón incandescentes de la llama producen la luz) y bombilla de filamentos, donde un delgado cable de tungsteno se calienta (en una cavidad donde se ha hecho el vacio o se ha introducido un gas inerte para que no se oxide o queme) por la resistencia que presenta a la corriente eléctrica que circula por él. Todas la fuentes de luz incandescentes, ya sea de llamas o de filamentos eléctricos, producen más calor que luz y por lo tanto son bastantes ineficientes en la conversión de energía a luz. La fluorescencia ocurre cuando un material bajo ciertas condiciones puede hacer que brille con una luz cálida. La fluorescencia es un fenómeno en el cual los átomos de un material son excitados en una forma que les hacen emitir luz. En algunos casos, como en las lámparas de descarga de vapor de sodio o mercurio (usadas generalmente para alumbrado de calles), el vapor en un tubo de cristal emite la luz. En otros casos, como en los habituales tubos fluorescentes, la luz ultravioleta, que es invisible al ojo humano, se emite excitando los átomos del vapor de mercurio dentro del tubo y un recubrimiento invisible dentro del tubo convierte la luz ultravioleta en luz blanca (o muy cercana). La mayoría de los procesos fluorescentes implican un gasto adicional de energía ya que se produce algo de calor. (Fluorescencia no eléctrica se usa calentando manguitos incandescentes en lámparas de presión que emiten un luz más brillante y clara que lo harían simplemente por su temperatura) Figura 2: Una lámpara de biogás en Bandarawella, Sri Lanka. El biogás se Los diodos de emisión de luz blanca (en ingles WLED) conduce hasta el interior del hogar producen electroluminiscencia cuando los electrones se para cocinar y alumbrar. Foto: Practical recombinan con huecos emitiendo fotones. El color de la Action / Zul. luz depende de la energía que tiene el fotón y se determina por el salto que los electrones realizan en el semiconductor. Las ventajas de los WLEDs sobre otras fuentes de luz son sus bajos requisitos de energía, su larga vida útil, robustez y fiabilidad. WLEDs están siendo más utilizados gracias a su bajo consumo de energía pero su disponibilidad es todavía limitada en muchas regiones, debido a su relativamente alto coste. Los WLEDs de alto rendimiento cuestan aproximadamente el doble que los LEDs normales y más que las bombillas incandescentes. Aunque los WLEDs consumen muy poca energía Figura 3: Una lampara WLED ayuda a cocinar la cena en Nepal.
Foto: Practical Action / Rakesh Shrestha
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comparados con la bombilla incandescente, la eficiencia luminosa (lumen/vatio) puede variar considerablemente entre diferentes productos. Puede incluso haber una gran variación entre elementos individuales de un mismo lote de producto. El número y configuración de los diodos varía entre diferentes lámparas. La luz de WLEDs es muy direccional lo cual no siempre es adecuado para el alumbrado de una habitación. En esos casos, el uso de superficies reflectantes pueden mejorar esta situación. Un proyecto de Practical Action en Nepal promovió las lámparas WLED incorporando 3 diodos y pilas recargables que fueron construidas por miembros de la comunidad local formados en conjunción con Krishna Grill & Engg. (P) Ltd., una empresa de fabricación local. "Light up the World", (Alumbra el mundo) otra organización que promueve el alumbrado para las comunidades rurales pobres en Nepal usando WLEDs, usa generadores accionados con la mano para alimentar los sistemas de alumbrado de baja energía en lugares remotos del país. De cara a efectos prácticos, las opciones de alumbrado se reducen generalmente a lámparas alimentadas por combustibles fósiles o luces eléctricas. La Tabla 1 indica las opciones disponibles y capacidad relativa de alumbrado. Tipo de luz Vela Lámpara de aceite (mecha) farol (mecha) Lámpara de aceite (manguito incandescente) Lámpara de gas (manguito incandescente) Lámpara de filamentos 3W Lámpara de filamentos 40W Lámpara de filamentos 100W Fluorescente 15W Fuente de energía Parafina, Cera Queroseno Queroseno Queroseno 1.p.g (p. e. butano o biogás) Electricidad Electricidad Electricidad Electricidad Electricidad 80W Electricidad Lámparas de vapor de sodio 35W Electricidad Diodo de emisión de luz blanca (WLED) 1W Tabla 1: Capacidad de alumbrado Más importante para el usuario que la eficiencia en lumen/vatio es el coste por lumen, sin embargo esto es difícil de determinar con precios que varían dependiendo de donde se compran los artículos, la cantidad y la vida útil. Las opciones de alumbrado con mecha tales como las lámparas de queroseno y las velas son Electricidad 4500 25 - 50 128 25 - 50 3200 40 Intensidad (lumen) 1 1-10 10-100 1000 1000 10 400 1300 600 1500 Eficiencia (lumen/W) 0.01 0.01-0.1 0.1-0.2 1 1 3 10 13 40 50
Fluorescente 30W Lámparas de mercurio
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generalmente las más baratas en cuanto a potencia, a pesar de su ineficiencia, pero no por eso peor calidad de luz. Las lámparas de presión de queroseno producen mejor luz, pero son muy ruidosas y el calor que producen no se agradece en climas tropicales. Estas además gastan mucho más queroseno que las lámparas de mecha y su arranque es menos problemático. Las luces cilíndricas de gas son una alternativa un poco más cara pero más conveniente. Todas las lámparas y velas de combustión implican un riesgo real de fuego y contribuyen a la polución del aire dentro de las zonas cerradas y sus consiguientes problemas de salud. Además emiten gases de efecto invernadero, los cuales incrementan la temperatura global del planeta y cambian los patrones climáticos. El queroseno y el butano son caros y a veces tienen problemas de abastecimiento en los países en desarrollo. El combustible no solo hay que comprarlo, sino que puede implicar un largo viaje hasta el mercado para adquirirlo. Por lo tanto el resto del documento tratará sobre el uso del alumbrado eléctrico en sitios rurales sin conexión a la red eléctrica.
Alumbrado eléctrico en áreas rurales
Linternas solares f otovoltaicas Las linternas solares son un sistema completo que incluye la batería y los controles junto con las luces. Son fáciles de usar y no requieren ninguna instalación. Hay muchas linternas solares disponibles en el mercado. Practical Action (ITDG) en conjunción con Sollatek, una empresa especializada en fabricación electrónica y tecnología solar, han desarrollado dos versiones de una linterna solar robusta llamada "Glowstar" y "Glowstar plus". El precio de una linterna solar puede variar entre algo menos de 15$ a algo más de 150$ con diferentes prestaciones. Sistemas eléctricos para el hogar Son sistema de bajo coste que necesitan una Figura 4: Probando una linterna WLED solar pequeña cantidad de electricidad, generalmente de en Nepal. Foto: Practical Action Nepal. una fuente de energía renovable y usando luz fluorescente, (o mejor WLEDs) que pueden instalarse en muchos sitios. En ocasiones son suministrados en forma de kit y pueden unirse a una red eléctrica ya existente o a su propia fuente de energía, tal como un mini aerogenerador o panel solar, cuando son una fuente de potencia razonable. La instalación correcta de paneles solares y mini aerogeneradores es importante a la hora de que estas tecnologías funcionen eficientemente. Baterías La energía generada por un panel solar o un mini aerogenerador tiene que ser almacenada hasta que es requerida y esto se hace usando baterías. Las linternas solares incluyen una batería recargable. Se pueden utilizar pilas desechables que se compran ya cargadas y se tiran cuando ya se han 4 Figura 4: Un sistema solar para alumbrado simple.
Ilustración: Practical Action / Neil Noble.
Tubos Fluorescentes Panel Fotovoltaico Conexiones
Controlador Batería Aparatos eléctricos pequeños tales como radios o teléfonos móviles se pueden cargar en algunos sistemas
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agotado. Son fáciles de usar pero extremadamente caras en términos de costes energéticos, además tienen que transportarse y distribuirse a las áreas rurales, lo cual se suma al coste y le resta disponibilidad. Finalmente, su desecho supone un problema cuando se han acabado. Las baterías recargables son más efectivas en términos de coste general pero necesita de un equipo de recarga. Las dos principales opciones son; Níquel-Cadmio Plomo-Acido La disponibilidad de las baterías de Níquel-Cadmio es en general menor (exceptuando su uso como sustitutas a las pilas) y su coste es mayor, no obstante son más robustas y tolerantes al sobreuso que las baterías de Plomo-Ácido. Por otro lado, sufren de una autodescarga relativamente rápida si no son usadas. El precio de la energía eléctrica entregada por una batería de plomo-ácido varía de una veinteava a una quinta parte del precio de la misma cantidad de energía entregada por pilas normales. Las baterías plomo-acido son similares a las baterías usadas en los coches. En muchos casos las baterías usadas en los coches son usadas en sistemas de iluminación y de hecho es el sistema más fácilmente disponible de batería. Para la mayoría de los casos de alumbrado es el sistema más fácil y barato. Las baterías de plomo-acido también están disponible como baterías de descarga total que tienen un vida mayor que las baterías de coche y se presenta como mejor opción para almacenamiento general de energía eléctrica. La mayoría de las baterías tanto de Níquel-Cadmio como de Plomo-Acido requieren de una comprobación periódica del nivel de electrolito y de su recarga con agua destilada o des ionizada (sin acido). Para ello puede usarse el agua de lluvia si no ha sido contaminada de alguna forma. Las baterías de Plomo-Acido de bajo mantenimiento o sin mantenimiento también pueden usarse, pero el precio se incrementa considerablemente. Un punto importante a tener en cuenta es que la vida de las baterías de Plomo-Acido se acorta considerablemente si se descargan totalmente. Idealmente deberían ser recargadas cuando su nivel baja del 50%, es decir una batería de 60Ah (amperios-hora) debería cargarse cuando el nivel baje de 30 Ah. Normalmente la baterías de Plomo-Acido de descarga total tienen precios de 90$ por kWh hasta 180$ por kWh mientras las de Níquel-Cadmio son tres veces más caras. El precio también se incrementa con algunos tipos especiales y para baterías muy pequeñas. Las baterías normalmente tienen voltajes nominales que son múltiplos de 2V; las más comunes son de 12V y 24V nominales. Los cables de conexión deben ser lo más cortos posible (o lo más gordos posible) debido a que se producen perdidas importante de voltaje en la transmisión. La perdida de voltaje es igual a la intensidad medida en amperios multiplicada por la resistencia medida en ohmios. Un cable de 10 metros de longitud con una sección de 0,75 mm², una resistencia especifica de 0.042 ohmios, transmitiendo una intensidad de 1.25 amperios tiene una pérdida de voltaje de 1.25 x 0.042 x 10 = 0.525 voltios. Esto representa sobre el 96% de la eficiencia del cable. Sin embargo si el cable es de 100 metros tendrá una pérdida de voltaje de 5.25 voltios, que implicará que la luz no funcione o en cualquier caso significará una pérdida de cerca de la mitad de la energía suministrada. Por ejemplo una fluorescente de 30 Vatios alimentada por una batería con un inversor durante seis horas por noche consume 180 Wh cada 24 horas. Las perdidas en el inversor, cables y la batería incrementan las necesidades hasta los 300Wh/24h. Para evitar la descarga superior al 50% y dar una capacidad nominal de 24h requerirá una batería con una capacidad práctica de 600Wh (1200Wh para descarga total), que en la región cuesta 120$.
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