1 Introducción

Como consecuencia de los problemas energéticos mundiales y propios ocurridos en la actualidad, en nuestro país se ha incrementado la preocupación por el ahorro de la energía eléctrica, lo cual ha llevado a incentivar la disminución del consumo energético en cada hogar, comercio y sitio de trabajo. Para lograr esta disminución se ha recomendado la sustitución de las lámparas incandescentes por las popularmente denominadas lámparas ahorradoras o de bajo consumo, que no son otra que lámparas fluorescentes compactas. La principal ventaja de este cambio es la disminución de la potencia consumida por los sistemas de iluminación, sin embargo existen otros factores que no se ven a primera vista, pero que deben tenerse en cuenta a la hora de hacer cambios de iluminación en espacios públicos, como plazas, parques, aulas de clases, sitios de recreación, y en las diferentes áreas que conforman un hogar, o una oficina.

El presente estudio pretende dar una visión más amplia a cerca de las características de ambos tipo de lámpara, analizando todas las ventajas y desventajas mediante un estudio completo de las especificaciones técnicas y económicas, tales como la vida útil, depreciación, potencia de consumo, espectro electromagnéticas y luminoso, entre otros.

El objetivo final es el de ofrecer una fuente de información ampliada que permita despejar dudas y aclarar conceptos novedosos sobre el tema, por consiguiente permitirán brindar una orientación a los ciudadanos en general al seleccionar la lámpara que más le conviene en un determinado ambiente.

El trabajo comprende la realización y posterior discusión de los siguientes análisis:

• Análisis de los armónicos emitidos por cada una de las lámparas a la red.

• Análisis de la potencia consumida.

• Análisis de la vida media de las lámparas de estudio.

• Análisis de la vida útil y la curva de depreciación del flujo luminoso de las lámparas en estudio.

• Análisis de los efectos del reencendido en la vida útil de las lámparas.

• Análisis del Espectro luminoso de cada una de las lámparas.

• Análisis económico de las lámparas.

2 Análisis Técnicos Económicos realizados

El estudio se realizó a 6 lámparas que tienen en común su voltaje 120V y casquillo Edison E-27 (Philips, 2002), cuyas características se pueden apreciar en la Tabla 1.

Tabla 1.

Datos del fabricante de las lámparas de estudio

3 Análisis de los armónicos emitidos

La determinación de la distorsión armónica generada por las diferentes lámparas se realizo mediante la implementación del circuito de la figura 1. Los valores medidos de distorsión de armónicos de corriente y voltaje en cada una de las lámparas se pueden apreciar en la Tabla 2.

Tabla 2.

Distorsión de armónicos de corriente y voltaje

Los armónicos se midieron por medio del uso de un analizador de calidad eléctrica (Fluke 430 II), circuito de la Figura 1.

Fig. 1.
Circuito para medir armónicos de las lámparas.

El valor obtenido de distorsión de armónicos de voltaje (TDHv) en todas las lámparas analizadas es menor de 5% y se puede asumir que son propios de la red. Sin embargo, las distorsiones de armónicos de corriente (THDi) en las lámparas fluorescentes compactas tienen una mayor magnitud en el tercer armónico, ver Figuras 2, 3 y 4, lo cual en muchos estudios se han demostrado que causan imperfecciones a la red eléctrica. (Rashid 1993)

Fig. 2.
Espectro de la corriente de las lámpara fluorescente compacta Dien Luang

Fig. 3.
Espectro de la corriente de la lámpara fluorescente compacta Philips

Fig. 4.
Espectro de la corriente de la lámpara fluorescente compacta Truper

4 Potencia medida de consumo

La potencia consumida por cada una de las lámparas se efectuó en diferentes etapas de su funcionamiento, con el osciloscopio y el circuito de la Figura 1, en cada ocasión arrojó el mismo resultado, es decir, la potencia no varía a lo largo de su vida útil, obteniéndose los siguientes resultados.

Tabla 3.

Valores medidos de las lámparas

5 Análisis de la vida media

La vida media se define como el tiempo en que el 50% de las lámparas de un mismo lote, en pruebas de laboratorio, han dejado de funcionar (San Martin, 2003). En este caso se dejaron encendidas durante toda la fase experimental y se registró el tiempo en el cual dejaban de funcionar.

Tabla 4.

Valores obtenidos de vida media

* Para el periodo de estudio de 25 semanas aún estaban en funcionamiento.

Se puede comprobar experimentalmente que las lámparas incandescentes tienen una vida media menor que las lámparas fluorescentes compactas. Y que su valor varía dependiendo del fabricante, la lámpara General Electric tienen una duración de menos de la mitad (552 horas) que la lámpara Silvana (1362 horas).

6 Análisis de la vida útil y curva de depreciación

La vida útil es el tiempo en el cual el flujo luminoso emitido por la lámpara, se ha depreciado aproximadamente un 30% de su flujo inicial (San Martin 2003). Los resultados obtenidos de las mediciones realizadas cada semana a las lámparas del análisis anterior (encendidas todo el tiempo), se pueden apreciar en las Figuras 5 y 6.

Fig. 5.
Depreciación del flujo luminoso de las lámparas incandescentes.

Fig. 6.
Depreciación del flujo luminoso de las lámparas fluorescentes compactas.

Las lámparas incandescentes no lograron depreciarse un valor mayor al 30% de su flujo inicial, primero dejaron de funcionar antes de que esto ocurriera, GE a las 504 horas, Philips a la 840 horas y Silvania a 1344 horas. No obstante, las lámparas fluorescentes compactas para el momento de sus últimas medidas (semana 25, 4200 horas), aún seguían en funcionamiento, pero su flujo luminoso tenía una depreciación cercana al 30% de su valor inicial, es decir que ya estaban aproximándose a su vida útil.

7 Análisis del reencendido en la vida útil

Para determinar cómo afecta el reencendido en la vida útil de las lámparas, se les colocó un temporizador a las lámparas, el cual mantenía encendida la lámpara 2 horas encendidas y 2 horas apagadas, con el fin de que sus componentes internos se enfriaran completamente. Los resultados obtenidos se pueden apreciar en la Figura 7 y 8.

Fig. 7.
Depreciación del flujo luminoso de las incandescentes con reencendido.

Fig. 8.
Depreciación del flujo luminoso de las fluorescentes compactas con reencendido.

En la teoría la vida media y el flujo luminoso de las lámparas incandescente no se ven afectadas por el reencendido. Sin embargo, en el ensayo experimental, se puede apreciar que las lámparas con reencendido General Electric (672 horas) y la Philips (942 horas) tienen un número mayor de horas de funcionamiento con respecto a lámparas del mismo fabricante pero encendidas todo el tiempo, en cambio la Silvania que encendida todo el tiempo alcanzó una vida media de 1344 horas con reencendido disminuyó a 588 horas. En cuanto a su flujo luminoso se puede apreciar que no hay cambios significativos con respecto a su depreciación.

En la teoría la vida media y el flujo luminoso de las lámparas fluorescente compactas, si se ven afectadas por el reencendido. En el ensayo experimental se puede apreciar que el porcentaje de depreciación correspondiente a 4200 horas de funcionamiento de las lámparas encendidas todo el tiempo corresponde a los valores depreciados de 2100 horas de funcionamiento de las lámparas con reencendido. Es decir, que las lámparas con reencendido tendrán una vida útil menor, aproximadamente la mitad que sus análogas encendidas todo el tiempo.

8 Análisis del espectro luminoso emitido

Mediante medidas realizadas en el laboratorio de Óptica de la Facultad de Ciencias de la ULA, por medio del uso de un radiómetro o fotómetro, se obtuvo el espectro luminoso de cada una de las lámparas de estudio. Los resultados obtenidos se pueden apreciar en las Figuras 9, 10, 11, 12, 13 y 14.

Fig. 9.
Espectro luminoso de la lámpara incandescente General Electric.

Fig. 10.
Espectro luminoso de la lámpara incandescente Philips.

Fig. 11.

Espectro luminoso de la lámpara incandescente Silvania.

Fig. 12.
Espectro luminoso de la lámpara fluorescente compacta Dien Quang.

Fig. 13.
Espectro luminoso de la lámpara fluorescente compacta Philips.

Fig. 14.
Espectro luminoso de la lámpara fluorescente compacta Truper.

Como se puede apreciar las lámparas incandescentes tienen una mayor emisión continua hacia las tonalidades cálidas (5000 a 7800 Anstromg), incluso pérdidas en los infrarrojos (emisiones mayores a 7800 A), las cuales no pueden ser percibidas por el ojo humano, ya que el rango visible de la luz se encuentra entre 3800 y 7800 A.

Las lámparas fluorescentes compactas tienen emisiones discretas dentro del rango visible de la luz, y los picos que se obtienen son debido a los polvos fluorescentes que componen el recubrimiento de la capa interior de la ampolla, la cual tiene como finalidad desplazar las emisiones originales de la lámpara fluorescente, que se encuentra en el rango de los ultravioletas (aproximadamente 100 a 3800 A), al rango visible.

9 Análisis económico

Para realizar el análisis económico se requiere determinar, su costo inicial, su vida útil en meses (asumiendo un uso de 10 horas diarias y las Figuras 7 y 8), costo de la energía (valor dado por la compañía de suministro eléctrico (de 3,76 BsF los primeros 100 KWh/mes), la potencia consumida (esto se determinó en el apartado 4) y la tasa de interés usada en el país por la banca pública y privada (del 24% anual, 1,8% mensual).

Tabla 5.

Variables necesarias para el análisis económico de las lámparas en estudio

* Valor estimado ya que la compañía no suministra este dato.

El estudio técnico económico (Degarmo y col, 1997) se realizó bajo los parámetros del cálculo de Ingeniería Económica, que no es más que aplicar las fórmulas y los factores de los análisis de alternativas; considerando que son lámparas que tienen vida útil diferentes y que el precio que se hallan en el mercado son precios acordes a la tecnología empleada. El análisis a emplear es el Costo Anual Uniforme Equivalente (CAUE) (Blank y Tarquin, 2012). Que para el caso de estudio se aplicó un equivalente mensual debido a que los costos están referidos a este periodo de tiempo.

De donde P es el costo inicial de la lámpara, i la tasa de interés mensual, n el periodo de tiempo en meses y CA el costo mensual de consumo de energía. Considerando la lámpara incandescente General Electric, se tiene como costo mensual equivalente:

CMUE = 4,81185 BsF

En la Tabla 6 se puede apreciar que la lámpara más económica es la incandescente Silvania, porque tiene un equivalente de costo neto menor, siguiendole en segundo lugar la lámpara incandescente Philips. No obstante, hay que tener en cuenta que el costo de la energía en nuestro país no es el real, ya que esta muy por debajo de su costo actual de generación, transmisión y distribución. Por esta razón, para que la decisión sea lo más efectiva posible, se requiere un análisis de sensibilidad para determinar si para variaciones tanto de la tasa de interés como del costo de la energía, esta decisión se mantiene.

Tabla 6.

Costo mensual uniforme equivalente de las lámparas en estudio

Estimando variaciones de la tasa de interés mensual del ± 50% [0,9% - 2,7%] se obtienen las siguientes curvas de costo mensual equivalente.

Estimando variaciones del costo de la energía del [3,76 - 20] BsF, se obtienen las siguientes curvas de costo mensual equivalente.

10 Análisis de los Resultados

• En el análisis de los armónicos emitidos a la red, se puede apreciar que las lámpara incandescentes no aportan ningún armónico a la red y se comportan como una resistencia ideal. No obstante, las lámpara fluorescentes compactas inyectan a la red armónicos, y como se pueden apreciar en la Figuras 2, 3 y 4, su valor es considerable, porque el tercer armónico tienen un valor mayor a la mitad de la onda fundamental. No obstante, habría que hacer unas pruebas, en investigaciones futuras, para determinar si varias lámparas fluorescentes compactas en un sistema emiten una cantidad de armónicos proporcional al número de lámparas conectadas, y si los armónicos emitidos varían o se ven afectados o compensados por las cargas lineales y no lineales presentes en la red.

• Las mediciones realizadas para determinar la potencia activa y reactiva demostró que las lámparas incandescentes se comportan como una resistencia ideal, presentando un factor de potencia muy cercano a 1. En cambio, las lámparas fluorescentes compactas presentan un factor de potencia bajo, comportándose como una carga inductiva, por consiguiente, su uso masivo requiere el uso de compensadores de reactivos (STATCOM, etc).

• Las lámparas fluorescentes compactas tienen una vida media que supera en creces a las incandescentes, siendo de 6 a 8 veces mayor.

• La vida útil de las lámparas incandescentes es igual a su vida media, esto quiere decir que cuando estas dejan de funcionar, su flujo luminoso tiene un valor mayor al 70% de su valor inicial. No obstante las lámparas fluorescentes compactas presentan una vida útil menor a su vida media y en el análisis de encendidas todo el tiempo está en el orden de las 5000 horas de funcionamiento por interpolación de las curvas de la Figura 6.

• En el análisis del efecto del reencendido en la vida útil de las lámparas, se pudo comprobar que en las lámparas incandescentes únicamente la Silvania se vio afectada por esto y su vida media y útil fue menor que en el análisis anterior, el resto sus valores estuvieron cercanos al análisis anterior. No obstante, en las lámparas fluorescentes compactas, se puede apreciar que su vida útil se redujo considerablemente, tanto así que el flujo luminoso medido para 4200 horas de funcionamiento en todo el tiempo encendidas, son similares, a las medidas a 2100 horas de funcionamiento en encendidas 2 horas y apagadas 2 horas. Demostrándose con esto que el efecto de encendido si afecta el flujo luminoso emitido por las lámparas fluorescentes compactas, no así a las lámparas incandescentes.

• También es importante resaltar que a pesar que las lámparas fluorescente compactas tienen un valor de potencia de aproximadamente la mitad de las lámparas incandescentes, su emisión luminosa (medida en lux) son aproximadamente iguales, valores entre 100 y 150 lux, ver Figura 5 y 6.

• Mediante las mediciones del espectro luminoso emitido se pudo comprobar que las lámparas incandescentes emiten dentro del rango visible pero tienen una considerable pérdida en el rango de los infrarrojos (emisiones mayores a los 7800 A). Las lámparas fluorescentes compactas gracias a su recubrimiento de polvos fluorescentes emiten únicamente dentro del rango visible del ojo humano.

• Finalmente, el análisis económico realizado demostró que a pesar de que las lámparas fluorescentes compactas tienen un menor consumo de energía y su vida útil es mucho mayor que las lámparas incandescentes, desde el punto de vista económico, las lámparas incandescentes son más rentables, debido a que sus costos equivalentes siempre dieron menores a pesar de variaciones de la tasa de interés y de incrementos del costo de energía, ver Figuras 15 y 16. En tal sentido, siempre debe prevalecer el cuidado del planeta y la vida humana, y en base a ello se han de llevar a cabo todos los planes de ahorro energético (Ereu, 2008).

Fig. 15.
Análisis de sensibilidad de las variaciones de la tasa de interés.

Fig. 16.
Análisis de sensibilidad de las variaciones del costo de la energía.

11 Conclusiones

Como se pudo demostrar en esta investigación tipo experimental, las lámparas incandescentes presenta ciertas ventajas sobre las fluorescentes compactas, como son: La ausencia de emisión de armónicos a la red, factor de potencia cercano a 1, por ende no requiere de ningún equipo extra para su uso correcto y sin efectos a la red, menor costo inicial y un costo equivalente total (considerando su costo inicial, su vida útil y su costo de consumo de energía) que es mucho menor. Además, no contienen en su interior mercurio, sustancia contaminante tanto para el ambiente como para el ser humano.

Las lámparas fluorescentes compactas presentan como ventajas sobre las lámparas incandescentes, una mayor vida útil, mayor flujo luminoso, emisiones lumínicas únicamente dentro del rango visible humano y consumo de energía menor. Este aspecto es de suma importancia actualmente, ya que en el país se tiene una insuficiente generación de energía eléctrica y si se logra reducir su consumo total se mitigaría notablemente esta problemática energética.

En la Figura 16, se puede apreciar que para valores elevados del costo de la energía, de aproximadamente 6 veces el valor actual, o que el costo inicial de la lámpara fluorescente compacta sea menor, o que su vida útil sea mayor, si se podría considerar la lámpara fluorescente compacta como ahorradora, desde el punto de vista económico, y por ende su costo mensual equivalente resulte menor que las incandescentes. No obstante, gracias a los grandes avances en el diseño de nuevos y mejores modelos es posible que muy pronto se tenga en el mercado lámparas fluorescentes compactas realmente ahorradoras, tanto desde el punto de vista de consumo como monetariamente, que tengan un menor costo inicial y/o una vida útil mayor.

Por consiguiente, se recomienda que en el momento de considerar la opción de sustituir las lámparas incandescentes por las lámparas fluorescentes compactas, se evalúen en los modelos a tomar en cuenta todos los aspectos expuestos anteriormente, considerando todos los pro y los contra, en virtud, de que la decisión considerada vaya siempre efectivamente en función del cuidado del medio ambiente, del ser humano y del uso racional de la energía

Referencias

Blank L, Tarquin A, 2012, Ingeniería Económica. Séptima Edición. Mc Graw Hill. México. pp. 224-229.

DeGarmo P, 1997, Ingeniería Económica. Décima Edición. Prentice Hall. México. pp. 208.

Ereù M, 2008, Alumbrado Público. Criterios. Diseño y Recomendaciones (4º Edición). Caracas-Venezuela. pp. 163-166.

Philips, 2002, Norma Europea sobre Iluminación para inte-riores. UNE 12464.1. pp.

Rashid M, 1993. Electrónica de Potencia. Segunda Edición. Prentice Hall Hispanoamericana, S.A. México. pp. 387.

San Martin R, 2003, Manual de Luminotecnia. Ediciones Especializadas S. L. Madrid. pp. 58.

Notas de autor

luz@ula.ve