2.1. Descripción General del Prototipo.

Las plataformas Cloud permiten la integración de diferentes tecnologías de comunicación. Una de las tecnologías más robustas y altas prestaciones es la comunicación inalámbrica (^{Manzano, S., Peña, R., Guevara, D., & Ríos, A. 2014}; ^{Manzano, S., Guevara, D., & Ríos, A. 2015})

En la Universidad Técnica de Ambato se ha implementado una plataforma Cloud/GIS de control de sistemas renovables de iluminación, basados en tecnología LED, con control inteligente del flujo luminoso. El prototipo controla una luminaria LED de 24 W de potencia nominal.

El control de iluminación se puede realizar de forma manual o de forma automática, con ayuda de un sensor detector de luz natural que determina el inicio del funcionamiento del sistema de iluminación. El funcionamiento de la plataforma Cloud/GIS se basa en el control del porcentaje de iluminación a diferentes horas por medio de un control por modulación de ancho de pulso, en inglés PWM (Pulse Width Modulation). La modulación por ancho de pulso controla la corriente del LED. Además, se realiza la adquisición y tratamiento de la información de la operación del sistema de iluminación para su posterior visualización y análisis. Asimismo, se incluye un sensor de presencia que maximiza la intensidad luminosa al detectar la presencia de personas.

La propuesta tiene como aspecto innovador la integración de un Sistema de Información Geográfica, GIS, de la ubicación de luminarias LED en una plataforma Cloud, que permite la gestión, operación y control en diferentes zonas del sistema de alumbrado público. La programación de la plataforma Cloud se realiza con ayuda de hardware y software libre, mientras que la programación de la interfaz web se basa en lenguaje PHP. El control del nivel de iluminación se realiza con ayuda de un microcontrolador, que trabaja en función de la información de presencia y nivel de iluminación natural. En la Figura 4, se presenta el esquema general del funcionamiento de la plataforma Cloud/GIS de gestión, operación y control de sistemas de iluminación fotovoltaicos.

Figura 4: Esquema general del funcionamiento de la plataforma Cloud/GIS de gestión, operación y control de sistemas de iluminación fotovoltaicos. 

En la Figura 5, se presenta el control de encendido y apagado de las luminarias a través de un control automático programado en una interfaz web. De esta manera se despliegan gráficas del funcionamiento del sistema por un día específico, permitiendo al usuario elegir un historial del comportamiento del sistema de iluminación. Por otra parte, también es factible desplegar información en tiempo real de los valores de porcentaje actual en la luminaria y ahorro energético.

Figura 5: Interfaz web del control automático. 

Asimismo, el control de iluminación integra un sistema de georreferenciación de las luminarias empleando librerías de OpenLayers, que se complementa con las bibliotecas de JavaScript y PHP para interactuar, acceder y visualizar mapas en diferentes navegadores web.

2.2. Diseño del Circuito de Control de Intensidad.

El prototipo de control de las luminarias LEDs funciona en corriente continua. El sistema de control requiere modular el valor de la corriente continua de entrada, con ayuda de un regulador lineal de corriente o un convertidor DC-DC. En la Figura 6, se visualiza la simulación del regulador lineal de corriente, que se basa en la comparación del nivel de voltaje aplicado a la entrada del circuito para regular la tensión en los terminales que conectan con la luminaria.

Figura 6: Circuito de control y circuito regulador de corriente DC. 

El regulador lineal de corriente continua está compuesto por un transistor del tipo MOSFET de potencia de canal N, el MOSFET IRF530 y un par de transistores 2N3904, conectados a la compuerta del MOSFET. Uno de los transistores 2N3904, se conecta a la salida de control; es decir, al microcontrolador. De igual manera, se requiere de un conjunto de resistencias conectadas en paralelo. El conjunto de resistencias se conecta en serie con el LED, regulando la caída de tensión al encender el LED.

En la Figura 5, se observa el circuito controlador de tipo serial, que regula la intensidad a través del MOSFET, del transistor y del conjunto de resistencias conectadas en paralelo. Al encender el circuito, el MOSFET se energiza al detectar una caída de tensión positiva en la compuerta conectada a la resistencia de 4,7 KΩ. La conducción del MOSFET enciende los LEDs y produce una caída de tensión en las resistencias conectadas en paralelo. El aumento de la intensidad genera un aumento de tensión aplicada al conjunto de resistencias. Si se supera la tensión umbral del transistor, 0.6V, el transistor conduce y disminuye la tensión aplicada en el MOSFET, inyectando así en los LEDs una intensidad proporcional al valor de las resistencias.

La luminaria LED se compone de una matriz de 8 LEDs de 3 W cada uno a una tensión de 3,7 V. La intensidad que circula por el LED a potencia nominal es igual a 0,81A. La intensidad nominal define el valor de la resistencia que permite regular el nivel de iluminación. El valor de resistencia requerido es 0,7 Ω, pero no existen esas resistencias, por tanto, se optó por utilizar dos resistencias en paralelo de 1 Ω que equivalen a 0,5 Ω.

2.3. Programación del Microcontrolador

A la entrada del transistor 2N3904 se conecta un microcontrolador de la familia Arduino, específicamente un Arduino Leonardo. La programación del microcontrolador se encarga de regular el flujo luminoso de las lámparas, a través de un control PWM. En corriente continua, la señal de tensión no varía con el tiempo. El control PWM divide la señal de tensión en ciclos de trabajo y modula el ancho del pulso de la señal. La duración del periodo de tiempo es inversa a la frecuencia PWM, que para el microcontrolador empleado es igual a 500 Hz; es decir, 2 ms (^{Dangermond, J., 2012}).

En la programación del microcontrolador, los niveles de iluminación se deben ajustar a un rango de valores que oscila entre 0 a 255. Un cero corresponde a un nivel de iluminación del 100% mientras que el valor de 255 corresponde al 0%.

En la programación del microcontrolador se establecieron diez valores, entre 0 a 255, que permiten obtener escalones de control de 10%, entre el 10% al 100% del total de la potencia entregada por el LED.

2.4. Implementación y Validación del Circuito Regulador

El LED utilizado es un LED FLOOD LIGHT OUTDOOR de 24 W. En su interior tiene un LED DRIVER, que convierte la corriente alterna en corriente continua. El controlador del LED se conecta a la placa del circuito de control de intensidad luminosa del LED. En la Figura 7, se muestra la implementación del circuito de control de la luminaria LED.

Figura 7: Circuito de control de la intensidad luminosa, implementado en el interior de la luminaria LED. 

Según datos del fabricante, la luminaria LED se alimenta a una tensión nominal de 120 Vac y consume 0.2 A, equivalente a un consumo de potencia igual a 24 W. En el lado de corriente continua, la tensión de salida del controlador interior del LED oscila entre 21 Vdc y 36 Vdc, consumiendo una intensidad de 0,6 A. Para validar el comportamiento del circuito de control se realizaron las correspondientes pruebas de funcionamiento. Las pruebas consistieron en encender la luminaria a diferentes porcentajes de iluminación. Asimismo, se midieron los valores de tensión y corriente consumidos por la luminaria para el cálculo de valor de potencia eléctrica.

En la Tabla 1, se muestran los valores de tensión, intensidad y potencia medidos en el proceso de validación del circuito de control de luminosidad del LED.

2.5. Modalidad de la Comunicación.

El circuito de control es implementado en la parte interior de la luminaria cerca del LED DRIVER. En este sentido, se empleó un sistema de comunicación inalámbrica basado en el estándar IEEE 802.11 que especifica las normas de funcionamiento de una red de área local inalámbrica (WLAN) (^{Parkash, Prabu V, Dandu Rajendra, 2016}).

El sistema de comunicación inalámbrica permite comunicar el control de iluminación con la plataforma Cloud/GIS. El núcleo del sistema de comunicación está conformado por una tarjeta Shield Arduino YUN, que es compatible con Arduino Leonardo conformando así un conjunto de dispositivos electrónicos que controlan, reciben y envían datos desde y hacia la plataforma Cloud/GIS. La tarjeta Shield Arduino YUN, procesa la información en tiempo real y la almacena en una base de datos previamente instalada. Además, una de las principales funcionalidades de esta tarjea es su compatibilidad con diferentes sensores, asimismo, integra un socket que permite colocar una tarjeta microSD que serviría como respaldo de la información que se procesa.

2.6. Diseño y Programación de la Interfaz Web

El diseño y programación de la interfaz web se realizó sobre un servidor apache, instalado como una instancia en la Plataforma OpenStack de la Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial, FISEI. PHP es un lenguaje de programación de código abierto muy popular y que permite incluir contenido HTML, ideal para diseñar interfaces web. Una de las ventajas de utilizar PHP es el manejo de peticiones web que le permitirá al usuario registrar información en la base de datos de forma manual. De igual forma, mediante extensiones es posible la creación de archivos de diferentes formatos para generar reportes. El diseño de la interfaz permite el control de la iluminación de forma manual o automática. En el primer caso, en forma manual se ha diseñado un panel de control que permite enviar diferentes valores correspondientes al nivel del flujo luminoso de las luminarias. Por otra parte, el funcionamiento de forma automática se realiza a través de un reloj implementado en el servidor, el reloj marcará el tiempo de inicio y final del sistema de iluminación. La Figura 8, muestra la apariencia visual del diseño de la interfaz web implementada.

Figura 8: Diseño de la interfaz web para el control de la iluminación. 

El control manual permite elegir el porcentaje de iluminación deseado para la luminaria, igualmente, apagarla y/o encenderla. El dato enviado desde la interfaz web se registra en una base de datos instalada en el servidor y se actualiza cada vez que se envíe un nuevo valor. Este valor es recibido por el microcontrolador, encargado de enviar la orden al circuito de control de intensidad, que enciende la luminaria LED al porcentaje de iluminación deseado. El control automático de iluminación permite que la luminaria LED cambie el nivel de iluminación durante la noche de forma automática, integrando un sensor de luz, que establece el inicio del control de iluminación. El prototipo de control del nivel de iluminación recibe suministro eléctrico desde un sistema solar fotovoltaico, instalado en el tejado de la FISEI en la Universidad Técnica de Ambato.

2.7. Integración del Sistema de Información Geográfica, GIS.

El control de iluminación integra un Sistema de Información Geográfica, GIS, que permite la localización geográfica de las luminarias, controladas automáticamente desde la web. Para la integración del GIS se utilizó OpenLayers, una biblioteca de JavaScript de código abierto que garantiza el acceso, gestión y visualización de mapas de manera interactiva, en la mayoría de navegadores web (^{Jin, D., Hannon, C., Li, Z., Cortes, P., Ramaraju, S., Burgess, P., & Shahidehpour, M. 2016}).

La clase OpenLayers.Map crea el mapa a visualizar en la pantalla. Para cargar el mapa en la zona deseada, en este caso, asociada a la Universidad Técnica de Ambato, UTA, se establecen las coordenadas de la zona indicada. Las coordenadas de la UTA son latitud: -1.2690897 y longitud: -78.6257485. Al mapa añadido se agrega una capa de información mediante la clase OpenLayers.Layer. El empleo del método addLayer agrega la capa de información al mapa (^{Jin, D., Hannon, C., Li, Z., Cortes, P., Ramaraju, S., Burgess, P., & Shahidehpour, M. 2016}). De esta manera, el usuario visualiza información sobre el sentido de circulación y los nombres de las calles. Se utilizó la clase OpenLayersMap porque presenta información geográfica más detallada del campus universitario. Así, en la interfaz GIS se puede visualizar el nombre de la Facultad y los sitios de parqueadero que son alumbrados por las luminarias.

Asimismo, se colocaron marcadores para visualizar en el mapa la ubicación de la luminaria LED integrada al prototipo de control de iluminación, la misma que se encuentra ubicada en la FISEI, UTA. En este sentido, es posible acceder remotamente a través de la interfaz web y controlar el nivel de iluminación. La Figura 9, muestra la interfaz web de la conexión entre el sistema GIS y el servidor web.

Figura 9: Interfaz web de localización geográfica de la luminaria integrada al control de iluminación 

4.1 Descripción de la Metodología de Evaluación para Diferentes Escenarios de Iluminación.

Las luminarias LED presentan un mayor rendimiento en la iluminación pública y mejores características técnicas frente a otras tecnologías de iluminación como lámparas incandescentes, halógenas, fluorescentes compactas y la mayoría de las fluorescentes lineales (^{Yoomak, Jettanasen, Ngaopitakkul, Bunjongjit, & Leelajindakrairerk, 2018}). En la actualidad, la tecnología LED es considerada como la mejor alternativa para incrementar la eficiencia energética en los sistemas de iluminación.

La metodología propuesta de evaluación del impacto económico y medioambiental de la integración de sistemas de control de iluminación se basa en las siguientes etapas:

Para la evaluación del impacto económico y medio ambiental, empleando la metodología propuesta, se consideran luminarias de vapor de sodio y luminarias LED. La metodología permite evaluar el ahorro de consumo energético y económico al reemplazar luminarias convencionales por luminarias LED. También, es necesario evaluar el ahorro energético y económico que se obtendría al implementar la plataforma Cloud/GIS. La metodología propuesta en un inicio permite evaluar dos escenarios de iluminación: de mínimo y máximo ahorro energético.

El escenario de mínimo ahorro energético corresponde al funcionamiento de las luminarias - vapor de sodio y LED -sin ningún control del nivel de iluminación. El máximo ahorro energético corresponde al funcionamiento de las luminarias LED, basado en el control de iluminación implementado en la plataforma Cloud/GIS. Adicionalmente, se presenta la evaluación del ahorro energético que se podría obtener con la implementación del prototipo de control de iluminación en lámparas de vapor de sodio del Campus Huachi de la UTA y en las luminarias incandescentes de los reflectores de la FISEI, respectivamente.

Por otra parte, en Ecuador los costes de alumbrado público se determinan por tarifa y rango de consumo. En la Universidad Técnica de Ambato, el tipo de servicio de alumbrado público es denominado como beneficio público, que de acuerdo al pliego tarifario vigente se le asigna a escuelas, colegios y universidades públicas, con un rango de consumo eléctrico por hora de orden superior, con una tarifa de 0,063 USD/KWh mensual para la zona de Ambato (Pliego Tarifario 2018).

4.2 Escenario de Máximo y Mínimo Ahorro Energético

Para la evaluación del escenario de máximo y mínimo ahorro energético se han considerado luminarias de vapor de sodio de 250 W y luminarias LED de 24 W de potencia. En un escenario de mínimo ahorro energético se evaluará el impacto de la sustitución de luminarias de vapor de sodio por luminarias LED sin ningún control de iluminación.

Por otro lado, en un escenario de máximo ahorro energético se evaluará el impacto de sustitución de luminarias de vapor de sodio por luminarias LED, con los niveles de iluminación correspondientes a las condiciones especificadas para los días laborables: lunes a viernes, y los fines de semana: sábados y domingos. La plataforma Cloud/GIS implementada permite regular los niveles de iluminación de las luminarias. Del 100% al 20%, los días laborales de la semana, y del 50% al 10%, los fines de semana. Las luminarias permanecen en funcionamiento 12 horas.

4.2.1 Evaluación Energética y Económica para Luminarias Exteriores de la FISEI

La Tabla 5, muestra una comparativa de cálculos obtenidos del consumo energético de 2 luminarias de vapor de sodio y 2 luminarias LED, en un escenario de mínimo ahorro energético, es decir, sin control de iluminación. Asimismo, se presentan importantes parámetros como el consumo energético, el coste económico de la iluminación del alumbrado público, el coste económico del sistema de iluminación con una proyección a 10 años y la cantidad de emisiones de CO₂ por MWh, emitido por las luminarias. Según el Sistema Nacional Interconectado se estima que en Ecuador el factor de emisión de CO₂ en el 2014 fue de 342,6 (g CO₂/kWh) (^{Narváez, R. P. 2015}).

Las dos luminarias de vapor de sodio que se encuentran en la fachada frontal de la FISEI tienen un consumo energético anual de 2190 KWh/año, con un coste económico de 137,97 dólares anuales. La vida útil de las luminarias de vapor de sodio es de hasta 16 mil horas y el costo de cada luminaria se estima en 290 dólares. Si se considera en un horizonte de 10 años, el cambio de luminarias se realizaría aproximadamente 3 veces. Así, el sistema de iluminación representaría un gasto económico igual a 3119,7 dólares.

Al implementar luminarias LED, el consumo energético anual equivale a 210,24 kWh, con un coste económico anual en iluminación pública de 13,24 dólares. Las luminarias LED de 24 W se estiman en un costo de 50 dólares, aproximadamente. El rendimiento de las luminarias LED se estima en 50 mil horas, así, en un horizonte de 10 años no se necesitaría cambio de luminarias y el coste del sistema de iluminación equivaldría a la inversión inicial y al coste económico de iluminación pública cada año, 232,45 dólares. Si se sustituyen luminarias de vapor de sodio por luminarias LED, se obtiene un ahorro tanto económico como energético de un 90%.

Del mismo modo, en la Tabla 6, se muestran los cálculos obtenidos de consumo energético, coste económico de la iluminación pública, coste económico del sistema de iluminación con una proyección a 10 años y la cantidad de emisiones de CO₂, para un escenario de máximo ahorro energético, con control de iluminación en luminarias LED. Las luminarias LED tienen una reducción del 100 al 20% en el nivel de iluminación, de lunes a viernes y del 50 al 10%, los sábados y domingos.

La implementación de un sistema de control en las luminarias LED permite obtener un consumo energético anual de 126,14 KWh, con un gasto total en el consumo eléctrico de iluminación anual equivalen a 7,94 dólares. El costo de los dispositivos de control se estima en unos 121 dólares por luminaria LED, con una vida útil de 3 años, así, en una proyección de 10 años, los dispositivos necesitarían ser cambiados 3 veces, estimando un costo total de 726 dólares, si le sumamos el costo de las luminarias LED y el costo económico de la iluminación pública, el costo del sistema de iluminación en 10 años equivaldría a un total de 905,47 dólares.

Con la implementación del sistema de control de iluminación sustituyendo luminarias de vapor de sodio en luminarias LED el ahorro económico anual obtenido es de aproximadamente un 94% y una reducción de 1433,34 toneladas de emisiones de CO₂.

4.2.2 Escenario Hipotético de Implementación de la Plataforma Cloud/GIS en el Campus Huachi UTA.

La Universidad Técnica de Ambato, cuenta con aproximadamente 142 luminarias de vapor de sodio de 250 W. En la Tabla 7, se presentan los cálculos de consumo energético anual, coste económico de la iluminación pública, coste económico del consumo eléctrico del sistema de iluminación con una proyección a 10 años y la cantidad de emisiones de CO₂, para un escenario de mínimo ahorro energético, con control de iluminación en luminarias LED. El sistema de control de iluminación permite reducir los niveles de porcentaje de iluminación del 100 al 20%, de lunes a viernes y del 50 al 10%, sábados y domingos. Las 142 luminarias de vapor de sodio de 250 W consumen un total de 155,49 MWh anuales, equivalente a un coste económico anual de iluminación pública de 9795,87 dólares.

En un horizonte de 10 años, el costo del sistema de iluminación equivaldría a un total de 221 mil dólares. Si se reemplazan las luminarias de vapor de sodio por luminarias LED, con una plataforma Cloud/GIS de control de nivel de iluminación, el consumo energético anual equivale a 8,9 MWh, con un coste anual en iluminación pública de 564,24 dólares. La inversión inicial del sistema de control de iluminación se estima en 24 mil dólares, pero el ahorro obtenido tanto económico como energético asciende a un 94%.