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viernes, diciembre 3, 2021

Iluminación de estado sólido para interiores/exteriores (3): ¿Eficacia o eficiencia?

Por: Oracio Barbosa

En la entrega anterior hablamos del concepto de eficacia para entender qué tan buena es un sistema de iluminación de luz blanca; sus unidades de medida son lumen/watts (lm/W). En esa entrega comparamos los espectros de emisión del sol, foco, lámpara fluorescente y de LEDs. Establecimos que una fuente luminosa blanca puede ser fría o cálida de acuerdo a la intensidad que predomine de algunas longitudes de onda emitidas, siendo fría cuando predominen las coloraciones azuladas y cálidas cuando predominen las amarillo-rojizas. Ahora hablaremos de otro concepto para las fuentes de iluminación blanca que es el de eficiencia. Este concepto nos dice que tan bueno es un sistema en convertir la energía eléctrica en energía luminosa; su unidad de medida es el porcentaje. Estos dos conceptos, eficacia y eficiencia, nos ayudan para determinar una buena iluminación y de bajo consumo de energía eléctrica. 

Consideremos por tanto qué tan eficientes son los sistemas de iluminación que hemos estado comentando. El foco con filamento incandescente es el menos eficiente con un 5 %, esto significa que de la energía eléctrica consumida sólo el 5 % de ella se trasforma en energía luminosa. El 95 % restante se pierde, mayormente en calor.  Recordemos que el espectro de emisión de un foco tiene mayor intensidad en los colores amarillo-rojizo; el foco además emite en el infra-rojo. Las ondas electromagnéticas del infra-rojo se caracterizan por proporcionar calor y no son visibles.  

Un tubo y una lámpara compacta fluorescentes tienen aproximadamente 25 y 20 % de eficiencia, respectivamente; mientras que un sistema de iluminación por LED tiene alrededor del 50 % y se sigue trabajando en hacerlos más eficientes hasta llegar a un 60 % en los próximos años. Ya se ha mencionado que es el sistema de iluminación por LED o de estado sólido el que tiene la mayor eficacia, de 200 lm/W, por lo que resulta que es además el de mayor eficiencia. Esto significa que este sistema de iluminación de estado sólido es el más conveniente a utilizar en la actualidad en la iluminación artificial para interiores y exteriores. 

El uso de LEDs para iluminación repercute en el efecto invernadero que se vive actualmente. En 2005 la energía eléctrica que se producía mundialmente generaba alrededor de 1,900 megatoneladas de bióxido de carbono, CO2, anualmente. En ese año se calculaba que el 40 % de energía eléctrica se producía mediante carbón; un 20 % de gas natural; un 16 % por hidroeléctricas; 15 % de plantas nucleares; y 7 % a través del petróleo. La energía eléctrica producida mediante energías renovables, con excepción de la hidroeléctrica, era menor al 2 %. Al utilizar los LEDs como sistemas de iluminación de luz blanca reducirá por tanto la emisión de bióxido de carbono a nivel mundial puesto que se tendrá un menor consumo de energía eléctrica y a la vez se tendrá un mejor sistema de iluminación.

Además, la demanda de energía eléctrica para producir energía luminosa no es estática puesto que la población a nivel mundial va en aumento; en 1987 éramos alrededor de 6.7 mil millones de habitantes, hoy somos alrededor de 7mil millones; actualmente nuestro país tiene un poco más de 120 millones de habitantes.  Nuestras actividades nocturnas se incrementan día a día y se calcula que la demanda de sistemas de iluminación se incrementará en un 80 % para el año de 2030, ver figura donde se muestra una fotografía de la NASA mostrando a nuestro planeta de noche. 

Otra característica para sistemas de iluminación es el “índice de reproducción cromática”, CRI por sus siglas en inglés. El CRI mide la calidad de una fuente luminosa para reproducir los colores. El valor máximo es de 100 y lo tiene la iluminación solar; el valor mínimo es cero. Cualquier fuente de luz blanca con un CRI superior a 75 resulta ser una fuente que reproduce adecuadamente los colores y los LEDs blancos superan con facilidad ese valor, inclusive algunas empresas aseguran tener valores cercanos a 98. 

Ya se ha mencionado que en la actualidad el sistema de iluminación con mejores características es la de estado sólido o LED. Los LEDs utilizan las propiedades eléctricas semiconductoras de algunos elementos/compuestos químicos semejantes a las propiedades del silicio; es con base a estas propiedades que actualmente se fabrican los llamados “chips” que se encuentran en los diversos dispositivos electrónicos del hogar, oficina y fábricas. Esta tecnología se basa en materiales inorgánicos y constantemente se reportan nuevos dispositivos más compactos y eficientes debido al trabajo de científicos y tecnólogos.  En particular, hoy en día los LEDs de luz blanca se utilizan en los autos para la iluminación nocturna por proporcionar una mejor iluminación en tamaños más reducidos y con mayor eficiencia que los focos que se utilizaban anteriormente. 

Sin embargo, en la actualidad se desarrolla en los laboratorios de investigación de diversos países una nueva tecnología ya no basada en las propiedades semiconductoras de los materiales inorgánicos sino en la de materiales orgánicos, basados en carbono. Esta nueva tecnología es la de Organic LEDs, o bien OLEDs para sistemas de iluminación y de Organic Solar Cells, OSCs, para celdas fotovoltaicas para competir con las celdas solares de silicio.  Muy en particular, los OLEDs deben de ser reconocidos por el lector porque algunos teléfonos inteligentes tienen pantallas con esos compuestos orgánicos y también en algunos televisores que ya se encuentran en el mercado. En la próxima entrega hablaremos sobre esta nueva tecnología y su impacto en un futuro muy cercano en sistemas de iluminación.  

Esta figura muestra “nuestro mundo” de noche con toda su iluminación nocturna.
Note el enorme contraste de consumo de energía eléctrica entre países desarrollados y aquellos en desarrollo para la iluminación nocturna (fotografía de la NASA)

barbosag@cio.mx

 

Columna del CIO
El Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) es uno de los Centros públicos de investigación pertenecientes al Conacyt. Se especializa en óptica y fotónica (estudio de la luz y su interacción con la materia) www.cio.mx

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