trabajo de investigación final
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Lámparas LED Como Una Nueva Alternativa Para El Ahorro Energético En
Las
Industrias Y Comercios De La Ciudad De Panamá
por
Alfredo O. Nájera A.
Trabajo Final de Investigación Sometida en Cumplimiento del Trabajo Final de la Clase de Metodología de Investigación
Facultad de Ingeniería Eléctrica – U.T.P.I Semestre 2010
TABLA DE CONTENIDO
Página
LISTA DE TABLAS…………………………………………………………………......iv
LISTA DE FIGURAS………………………………………………………………..…..v
CAPÍTULOS
1. Introducción………………………………………………………………………1 Declaración del Problema………………………………………………….…..1 Declaración del Propósito……………………………………………….……..6 Definición de Términos y Símbolos……………………………………….…..7 Limitaciones del Estudio………………………………………………………10
2. Revisión de la Literatura……………………………………………………….11
Estructura y Características Eléctricas de las Lámparas Incandescentes……………………………………………………………..…11 Estructura y Características Eléctricas de las Lámparas Fluorescentes………………………………………………………………….12 Estructura y Características Eléctricas de las Lámparas LED…………..14 Costo Promedio de Consumo Eléctrico para las Industrias y Comercios de la Ciudad de Panamá………………………………………..15 Costo Promedio en la Ciudad de Panamá de las Lámparas Incandescentes, Fluorescentes y LED………………………………….…..16
3. Metodología……………………………………………………………………..17
Resumen del Estudio Propuesto……………………………………………..17 Participantes………………………………………………………………...18 Instrumentos……………………………………………………………...…19 Procedimientos……………………………………………………………..19
4. Resultados………………………………………………………………...……24
Descripción de los Parámetros que Serán Medidos para Determinar la Eficiencia de los Tres Tipos de Lámparas Analizadas………...……….24 Pregunta de Investigación #1……………………………………………...…27
ii
5. Resumen y Conclusiones……………………………………………………..29 Resultados de los Parámetros Medidos para Determinar la Eficiencia de los tres Tipos de Lámparas Analizadas…………………….29 Pregunta de Investigación #1………………………………………………..31 Conclusiones…………………………………………………………………..32
REFERENCIAS…………………………………………….………………………….33
APENDICES……………………………………………………………………………35
Apéndice A: Cálculos del Costo del Consumo Eléctrico para las Lámparas Incandescente, Fluorescentes y LED en un Periodo de 50000 Horas
iii
LISTA DE TABLAS
Tabla Página
1 Costo Promedio de Adquisición en los Comercios de Panamá de los Tres Tipos de Lámparas Analizadas………………………………22
2 Costo Promedio de la Energía Eléctrica para las Industrias y Comercios de la Ciudad de Panamá……………………………………23
3 Comparación de Costos, para un Periodo de 50000 Horas de Uso, entre los Tres Tipos de Lámparas Analizadas…………………26
iv
LISTA DE FIGURAS
Figura Página
1 Duración Promedio en Horas de Uso de los Tres Tipos de Lámparas Analizadas………………………………………………21
2 Eficiencia de las Distintas Lámparas Utilizadas para el Diseño de Sistemas de Iluminación………………………………………....21
v
CAPÍTULO UNO
Introducción
Declaración del Problema
Durante los últimos años, el costo de la energía eléctrica en la ciudad de
Panamá ha sufrido un creciente aumento, y a pesar de los intentos por parte del
gobierno de abaratar su costo, las compañías de generación eléctrica cada año
siguen aumentando el precio de la misma; en efecto, las industrias y comercios
utilizan la energía eléctrica como elemento vital para llevar a cabo sus
operaciones, como resultado de esto los sistemas de iluminación representan un
factor de consumo de electricidad para las mismas, lo que quiere decir que el
costo de operación de éstas aumenta de manera significativa. Por lo tanto las
industrias y comercios han tenido que buscar métodos de iluminación que sean
más eficientes y que consuman menos energía eléctrica, lo que traería una
disminución en costos de operación y consecuentemente aumentaría las
ganancias captadas por las mismas.
Como resultado de lo anterior, en el presente estudio el autor pretende
determinar la eficiencia que tienen las lámparas fabricadas con dispositivos LED
(Diodos Emisores de Luz), en cuanto al consumo de energía eléctrica y
durabilidad, frente a las tecnologías de iluminación convencional como lo son las
lámparas incandescentes y las lámparas fluorescentes, con lo que el autor
establecerá si esta nueva tecnología de iluminación representaría una nueva
1
2
solución en cuanto al ahorro de energía eléctrica consumida en las estructuras
de iluminación utilizadas en los comercio e industrias de la ciudad de Panamá.
De manera similar, el uso de sistemas de iluminación más eficientes ayudaría
a proteger el ambiente ya que se reduce el impacto que tiene sobre el ambiente
la producción adicional de energía eléctrica para suplir la demanda que implica
el uso de sistemas de iluminación no eficientes que consuman más energía
eléctrica en locales comerciales e industriales, debido a que estas muchas veces
operan durante las 24 horas del día, los 365 días del año.
En adición a lo anterior los sistemas de iluminación convencionales que
utilizan lámparas incandescentes, cuyos orígenes se le atribuye a Thomas Alva
Edison en el año 1875 , no presentan un comportamiento de eficiencia en cuanto
al consumo de energía eléctrica, ya que el 10% de la energía eléctrica que
consume se transforma en luz y el resto lo transforma en energía no útil para la
iluminación, debido a que utilizan un bulbo de cristal al vacío, transparente, que
en su interior posee un filamento de carbón (wolframio) el cual se calienta debido
al paso de la corriente eléctrica, haciendo que el mismo emita luz de color rojo
blanco (Hermosa, 2007).
De igual manera otra tecnología convencional de iluminación que presenta un
poco más de eficiencia son las lámparas fluorescentes, cuya invención se le
atribuye a Arturo Compton en 1934, un físico y consultor de General Electric Co.,
Ltd., las cuales convierte el 25% de la energía eléctrica que consume en luz y el
resto lo transforma en energía no útil para la iluminación. Sumado a lo anterior,
este tipo de lámpara está compuesta de un tubo lleno de gas Argón y que en su
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interior posee dos filamentos de tungsteno, que junto con el gas Argón, se
utilizan para generar descargas de luz ultravioleta, la cual no es visible para el
ser humano, sin embargo el interior del tubo está también recubierto con un
material fosforescente (átomos de fosforo) el cual genera luz visible a partir de la
incidencia sobre ésta de luz ultravioleta (Hermosa, 2007). Adicionalmente la
eficiencia de este tipo de lámpara se centra en el hecho de que la misma
durante su proceso de encendido utilizan sólo por breves instantes los
filamentos de tungsteno, razón por la cual no da tiempo a que se calienten tanto
como ocurre con las lámparas incandescentes. Lo que quiere decir que al ser
mucho menor la pérdida de energía por disipación de calor al medio ambiente, el
consumo eléctrico se reduce.
De manera similar en esta última década, se da la aparición de una nueva
tecnología en la fabricación de lámparas que nos proporcionan sistemas de
iluminación más eficientes y que consuman aún mucho menos energía que las
no tan eficientes lámparas incandescentes y aún menos energía que las
lámparas fluorescentes. Este tipo de lámpara está fabricada en base al uso de
dispositivos emisores de luz, conocidos como diodos LED, cuyos orígenes se le
debe a Oleg Vladimirovich Losev en 1927, los cuales han revolucionado los
sistemas de iluminación debido a su bajo consumo de energía eléctrica, éste tipo
de lámpara convierte hasta una 90% de la energía eléctrica que consume en luz,
razón por la cual presenta un alto grado de eficiencia, además el ciclo de vida de
una lámpara fabricad con LED es mayor: aproximadamente 50.000 horas, es
4
decir unos 10 años de vida con un promedio de 12 horas de uso cotidiano
(Alabella & Martinez, 2005).
Sumado a lo anterior se puede definir un diodo LED como un dispositivo
semiconductor, compuesto de fosfuro de galio o arseniuro de galio, que emite
fotones cuando se le aplica a sus terminales, un nivel de corriente directa
pequeña; se pueden fabricar diodos LED que emitan luz de tipo blanca,
consiguiendo de esta forma altos niveles de luminosidad, con lo cual se ha
ampliado su utilización en sistemas de iluminación, dando como resultado la
fabricación de un nuevo tipo de lámparas denominadas lámparas LED. Sumado
a lo anterior, el efecto de emitir luz es llamado inyección de
electroluminiscencia, y para que el diodo LED produzca electroluminiscencia,
requiere solo de una pequeña cantidad de energía eléctrica, razón por la cual
presentan una mejor eficiencia en cuanto a consumo de energía eléctrica y
eficiencia de iluminación, ya que este tipo de lámparas produce mayores niveles
de iluminación que las lámpara incandescentes y fluorescentes (Allabela, 2005).
Sumado a lo anterior se puede establecer que la llegada de los servicios
eléctricos a Panamá y por lo tanto los primeros sistemas de iluminación eléctrica
en la República de Panamá (en ese entonces Departamento de Panamá),
comienza en el año 1886, apenas siete años después de haberse instalado el
primer alumbrado público eléctrico en los Estados Unidos de América, en Menlo
Park, California; ya para el mes de Noviembre de 1903, existían en las ciudades
de Panamá y Colón pequeñas plantas de energía eléctrica, con lo cual la
iluminación mediante lámparas incandescentes fue el primer tipo de tecnología
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de iluminación introducida en las industrias y comercios que se iban
desarrollando en la ciudad de Panamá. Adicionalmente en la década de los 60
llegan las primeras lámparas fluorescentes a la ciudad de Panamá, siendo
desde entonces la tecnología más utilizada por las industrias y comercios de la
ciudad de Panamá para sus sistemas de iluminación. De la misma manera la
introducción de las lámparas fabricadas mediante LED es muy reciente y solo
hasta el 2008 es donde se introducen a Panamá los primeros sistemas de
iluminación LED.
Por otra parte, al analizar todas las características eléctricas, de los tres tipos
de lámparas utilizadas en el diseño de un sistema de iluminación, lámparas
incandescentes, lámparas fluorescentes y lámparas de LED, pareciera que las
lámpara fabricadas con dispositivos emisores de luz, LED, presentan una mayor
eficiencia en cuanto a consumo de energía eléctrica y niveles de iluminación;
con lo cual se estaría ante una nueva tecnología que permitiría una reducción de
costos de operación en las industrias y comercios, debido a un menor consumo
de energía eléctrica, ya que el costo de la energía eléctrica en Panamá es
demasiado alto en la actualidad.
En adición con lo anterior también se tendría que analiza el costo de
adquisición e instalación de cada uno de estos tipos de lámpara al momento de
diseñar un sistema de iluminación para los comercios e industrias, ya que esto
también influiría en cuál de los tres tipos de sistemas de iluminación presenta
una mejor relación de costo-eficiencia.
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Declaración del Propósito
El propósito de este estudio de investigación es poder determinar, mediante
el desarrollo de la misma, las características eléctricas de las lámparas
fluorescentes y de las lámparas incandescentes y compararlas con las
características eléctricas de las lámparas fabricadas con dispositivos LED.
Adicionalmente el autor pretende, en función de estas características, establecer
la eficiencia en cuanto a consumo de energía eléctrica y niveles de iluminación
de cada uno de los tres tipos de lámparas analizadas en la investigación,
además comparar el costo de adquisición e instalación de cada uno de estos
tipos de lámpara al momento de diseñar un sistema de iluminación para los
comercios e industrias. Por lo tanto el autor mediante este estudio de
investigación se plantea resolver la siguiente pregunta:
1. ¿Son realmente las lámparas basadas en tecnologías LED, en
comparación con los sistemas de iluminación convencionales como las
lámparas incandescentes y fluorescentes, una nueva alternativa que
permite disminuir el consumo de energía eléctrica en las industrias y
comercios de la ciudad de Panamá?
Adicionalmente el propósito de este estudio pretende establecer los
beneficios que obtendrían las industrias y comercios al utilizar lámparas
fabricadas con dispositivos LED, dentro de sus sistemas de iluminación, en
cuanto a reducción de costos de operación debido a un menor consumo de
energía eléctrica, ya que el costo de la energía eléctrica en Panamá es
demasiado alto en la actualidad. Debido a esto las lámparas LED representarían
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una nueva opción de ahorro de costos para las industrias y comercios, en
comparación con los costos que generan el uso de sistemas convencionales de
iluminación que utilizan lámparas incandescentes y fluorescentes.
Definición de Términos y Símbolos
Lámparas incandescentes. Para el propósito de este estudio, las lámparas
incandescentes son dispositivos que están conformados por un hilo de wolframio
que se calienta por efecto Joule, debido al paso de una corriente eléctrica,
haciendo que este hilo o filamento alcance temperaturas tan elevadas que
empieza a emitir luz visible. Para evitar que el filamento se queme en contacto
con el aire, se rodea con una ampolla de vidrio a la que se le ha hecho el vacío o
se ha rellenado con un gas. El conjunto se completa con unos elementos con
funciones de soporte y conducción de la corriente eléctrica y un casquillo
normalizado que sirve para conectar la lámpara a la luminaria.
Lámparas fluorescentes. Para el propósito de este estudio, las lámparas
fluorescentes son aquellos dispositivos que están conformado por un tubo de
descarga que se fabrica de vidrio, con diferentes longitudes y diámetros; la
pared interior del tubo se encuentra recubierta con una capa de sustancia
fosforescente o fluorescente, cuya misión es convertir los rayos de luz
ultravioleta (que se generan dentro y que no son visibles para el ojo humano), en
radiaciones de luz visible. Para que eso ocurra, su interior se encuentra relleno
con un gas inerte, generalmente argón (Ar) y una pequeña cantidad de mercurio
(Hg) líquido.
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En adición con lo anterior, los tubos fluorescentes rectos poseen en cada uno
de sus extremos un casquillo con dos patillas o pines de contactos eléctricos
externos, conectadas interiormente con los filamentos de caldeo o de
precalentamiento. Estos filamentos están fabricados con metal de tungsteno,
conocido también por el nombre químico de wolframio (W), recubiertos de calcio
(Ca) y magnesio (Mg) y su función principal en los tubos de las lámparas
fluorescente es calentar previamente el gas argón que contienen en su interior
para que se puedan encender.
Sumado a lo anterior, las lámparas fluorescentes utilizan un pequeño
dispositivo durante el proceso inicial de encendido llamado cebador o
encendedor térmico (starter). Además, las lámparas fluorescentes poseen un
transformador de corriente, cuya función es generar el arco eléctrico que
requiere el tubo durante el proceso de encendido y mantenerlo posteriormente,
limitando también la intensidad de corriente que fluye por el circuito del tubo.
Diodos. Para los propósitos de este estudio, un diodo es un dispositivo
semiconductor, el cual es un material con la habilidad variable de conducir
corriente eléctrica. La mayoría de los semiconductores están hechos de un
pobre conductor, tal como el silicio que ha tenido impurezas añadidas a él
(átomos de otro material). El proceso de agregar impurezas se denomina
dopado. Al realizar este dopado, el dispositivo queda dividido en dos regiones,
una denominada región N (rica en electrones) o región negativa, y otra
denominada región P (rica en huecos) o región positiva. Al conectar la región P a
un potencial positivo dentro de un circuito eléctrico, y la región N a un potencial
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negativo en el circuito, el dispositivo permite el flujo de corriente a través de él.
Si se conecta de forma inversa el dispositivo no conduce corriente eléctrica a
través de él.
Diodo emisor de luz (LED). Para los propósitos de este estudio, un diodo
emisor de luz (LED) es un diodo de unión PN de semiconductores que emite
fotones cuando se polariza directamente. El efecto de emitir luz es llamado
inyección de electroluminiscencia, y sucede cuando los portadores de un lado sé
recombinan con los del lado opuesto en la banda del diodo. La longitud de onda
de la luz emitida varía primeramente debido al material semiconductor usado. La
estructura básica de un LED indicador consiste de un dado, una estructura de
puntas conductoras donde se ubica actualmente el dado y el encapsulado
epoxico que rodea y protege al dado, y también dispersa la luz.
Consumo de energía eléctrica. Para los propósitos de este estudio, el
consume eléctrico se define como el número de kilowatios-hora utilizados para
que funcione un aparato eléctrico durante un tiempo. Depende de la potencia del
aparato y del tiempo que esté funcionando.
Nivel de iluminación. Para los propósitos de este estudio, el nivel de
iluminación se define como parte del flujo emitido por una fuente luminosa en
una dirección dada, por el ángulo sólido que lo contiene, su unidad de medida en
el Sistema Internacional de Medida es la candela (cd). Adicional a lo anterior,
otra unidad de importancia para la medida de la intensidad luminosa es el lumen
(lm), para el sistema internacional de medida, el cual se refiere a una medida de
la potencia luminosa percibida.
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Limitaciones del Estudio
El propósito de este estudio es poder establecer si las lámparas fabricadas
con dispositivos emisores de luz LED, representan una nueva alternativa para la
disminución del costo de la energía eléctrica para las industrias y comercios de
la ciudad de Panamá, ya que esta nueva tecnología presenta la propiedad de
ser más eficiente y consumir menos energía eléctrica que los sistemas de
iluminación convencionales, como las lámparas incandescentes y las lámparas
fluorescentes. Lo que quiere decir que el estudio está limitado a los beneficios
que recibirían solamente las industrias y comercios de la ciudad de Panamá,
debido a que solo se toma en cuenta el precio de la energía eléctrica en la
ciudad de Panamá, los valores calculados de eficiencia-costo de cada una de las
tres lámparas estarían estableciendo el beneficio que recibirían las industrias y
comercios de la ciudad de Panamá solamente, y estos resultados no se podrían
generalizar para cualquier tipo de industria o comercio en general
Adicionalmente, para la determinación del mismo solo se utilizarán la
información obtenida acerca de las características eléctricas de esto tres tipos
de lámparas, y en función de ésta y de su costo, se podrá estableces si
verdaderamente las lámparas LED representarían una nueva herramienta para
el ahorro de energía eléctrica consumida en sistemas de iluminación.
Sumado a lo anterior, los datos acerca de las características eléctricas y de
luminosidad de estos tres tipos de lámparas se tomarán en base a la
información obtenida en hojas de datos de los fabricantes de éste tipo de
lámpara, además de su costo de adquisición y mantenimiento.
CAPÍTULO DOS
Revisión de la Literatura
Estructura y Características Eléctricas de las Lámparas Incandescentes
La estructura de una lámpara incandescente para el propósito de este
estudio, se define como un dispositivo el cual está conformado por un hilo de
wolframio que se calienta por efecto Joule alcanzando temperaturas tan
elevadas que empieza a emitir luz visible. Para evitar que el filamento se queme
en contacto con el aire, se rodea con una ampolla de vidrio a la que se le ha
hecho el vacío o se ha rellenado con un gas. El conjunto se completa con unos
elementos con funciones de soporte y conducción de la corriente eléctrica y un
casquillo normalizado que sirve para conectar la lámpara a la luminaria
(Domínguez, 2003).
Sumado a lo anterior, se puede establecer que existen dos tipos de lámparas
incandescentes: las que contienen un gas halógeno en su interior y las que no lo
contienen.
Adicionalmente, entre las lámparas incandescentes no halógenas, es decir
que no poseen un gas halógeno en su interior, podemos distinguir las que se
han rellenado con un gas inerte de aquellas en que se ha hecho el vacío en su
interior. La presencia del gas supone un notable incremento de la eficacia
luminosa de la lámpara dificultando la evaporación del material del filamento y
permitiendo el aumento de la temperatura de trabajo del filamento. Las lámparas
incandescentes tienen una duración normalizada de 1000 horas, una potencia
11
12
entre 25 y 2000 W y unas eficacias entre 7.5 y 11 lm/W para las lámparas de
vacío y entre 10 y 20 lm/W para las rellenas de gas inerte. En la actualidad
predomina el uso de las lámparas con gas, reduciéndose el uso de las de vacío
a aplicaciones ocasionales en alumbrado general con potencias de hasta 40 W
(Domínguez, 2003).
Sumado a lo anterior se puede definir que las lámparas incandescentes
llenas de gas halógeno requieren de temperaturas muy altas para que pueda
realizarse el ciclo del halógeno. Por eso, son más pequeñas y compactas que
las lámparas normales y la ampolla se fabrica con un cristal especial de cuarzo
que impide manipularla con los dedos para evitar su deterioro. Tienen una
eficacia luminosa de 22 lm/W con una amplia gama de potencias de trabajo (150
a 2000W) según el uso al que estén destinadas. Las lámparas halógenas se
utilizan normalmente en alumbrado por proyección y cada vez más en
iluminación doméstica, comercial e industrial (Domínguez, 2003).
Estructura y Características Eléctricas de las Lámparas Fluorescentes
La estructura de una lámpara fluorescente, para el propósito de este estudio se
puede definir como aquellos dispositivos que están conformado por un tubo de
descarga que se fabrica de vidrio, con diferentes longitudes y diámetros; la
pared interior del tubo se encuentra recubierta con una capa de sustancia
fosforescente o fluorescente, cuya misión es convertir los rayos de luz
ultravioleta (que se generan dentro y que no son visibles para el ojo humano), en
radiaciones de luz visible. Para que eso ocurra, su interior se encuentra relleno
13
con un gas inerte, generalmente argón (Ar) y una pequeña cantidad de mercurio
(Hg) líquido (Sánchez, 2008).
En adición con lo anterior, los tubos fluorescentes rectos poseen en cada uno
de sus extremos un casquillo con dos patillas o pines de contactos eléctricos
externos, conectadas interiormente con los filamentos de caldeo o de
precalentamiento. Estos filamentos están fabricados con metal de tungsteno,
conocido también por el nombre químico de wolframio (W), recubiertos de calcio
(Ca) y magnesio (Mg) y su función principal en los tubos de las lámparas
fluorescente es calentar previamente el gas argón que contienen en su interior
para que se puedan encender (Sobrevila, 2003).
Sumado a lo anterior, las lámparas fluorescentes utilizan un pequeño
dispositivo durante el proceso inicial de encendido llamado cebador o
encendedor térmico (starter). Además, las lámparas fluorescentes poseen un
transformador de corriente, cuya función es generar el arco eléctrico que
requiere el tubo durante el proceso de encendido y mantenerlo posteriormente,
limitando también la intensidad de corriente que fluye por el circuito del tubo.
Adicional a lo anterior se puede establecer que las lámpara fluorescentes
tienen un rendimiento luminoso que puede estimarse entre 50 y 90 lúmenes por
vatio (lm/W) (Sánchez, 2005).
Se puede agregar también que la luminosidad de la lámpara depende no
solamente del revestimiento luminiscente, sino de la superficie emisora, de modo
que al variar la potencia varía el tamaño, por ejemplo, la de 20W mide unos 60
14
cm, la de 40W, 1,20 m y la de 60W 1,50m. (Actualmente serían de 18, 36 y 58 W
respectivamente).
Adicionalmente, la vida útil de este tipo de lámparas pude variar con facilidad
entre 5000 h y más de 15000 h (entre 5 y 15 veces más), lo que depende de
diversos factores, tales como el tipo de lámpara fluorescente o el equipo
complementario que se utilice con ella (Vázquez, 2003).
Estructura y Características Eléctricas de las Lámparas LED
La estructura de un diodo LED, para los propósitos de este estudio, un diodo
emisor de luz (LED) es un diodo de unión PN de semiconductores que emite
fotones cuando se polariza directamente. El efecto de emitir luz es llamado
inyección de electroluminiscencia, y sucede cuando los portadores de un lado sé
recombinan con los del lado opuesto en la banda del diodo. La longitud de onda
de la luz emitida varía primeramente debido al material semiconductor usado. La
estructura básica de un LED indicador consiste de un dado, una estructura de
puntas conductoras donde se ubica actualmente el dado y el encapsulado
epoxico que rodea y protege al dado, y también dispersa la luz (Hambley, 2001)
Adicionalmente la estructura de una lámpara LED esta compuestas por una
copa reflectora, cuya función es permitir generar un haz de luz mayor; diodos
LED semiconductores, el cual es el dispositivo principal dentro de una lámpara
LED, ya que es el encargado de generar luz dentro de la lámpara; adicional a
estos también está compuesto por un hilo conductor, que sería el medio por el
cual circula la corriente, y en algunos casos sirve como un medio de protección;
15
y finalmente una capsula plástica, que proporciona un recubrimiento de plástico
que aísla a los materiales con el exterior (Alabella, 2005).
Sumado a lo anterior se puede establecer, dentro de las características
eléctricas de las lámparas LED, que las mismas se alimenta a baja tensión
(12/24V) o directamente se pueden conectar a la línea eléctrica (220V). Tanto
para unas como para otras, la iluminación que se consigue (Lúmenes) por cada
Watio de consumo es muy inferior a que ofrecen las lámparas convencionales.
Si atendemos a la eficiencia energética de cada una, podemos deducir de forma
aproximada, que luminaria LED tiene una eficiencia superior a 80 lm/W, frente a
eficiencias que van desde 55 lm/W de la bombilla de ahorro energético, hasta los
10 lm/W de las convencionales. Dicho de otra forma, con un mismo consumo,
conseguimos multiplicar la iluminación hasta 8 veces (Joliet Technology, 2009).
Costo Promedio de Consumo Eléctrico para las Industrias y Comercios de la
Ciudad de Panamá
El costo promedios de consumo eléctrico para las industrias y comercios de
la ciudad de Panamá se define, para propósitos de este estudio, como el costo
de la potencia eléctrica consumida por hora, la cual está definida por la empresa
de distribución comercial de electricidad en la ciudad de Panamá, ELEKTRA
NORESTE S.A., la cual se puede definir como tarifa de consume para clientes
comerciales de media tensión, y tarifa para clientes comerciales de alta tensión.
Sumado a lo anterior se puede establecer que el costo del consumo eléctrico
para los comercios de la ciudad de Panamá oscila en unos 0.13614B/ kW/h, y
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para las industrias está oscilando en unos 0.11863B/ kW/h (ELEKTRA
NORESTE S.A., 2010).
Costo Promedio en la Ciudad de Panamá de las Lámparas Incandescentes,
Fluorescentes y LED.
El costo promedio de las lámparas incandescentes, fluorescentes y LED en la
ciudad de Panamá, se define para propósitos de este estudio, como el costo de
adquisición de cada uno de estos tipos de lámpara al momento de diseñar un
sistema de iluminación para los comercios e industrias de la ciudad de Panamá.
Sumado es esto se puede establecer que en la ciudad de Panamá, las lámparas
incandescentes tienen un costo promedio de adquisición de B/1.23, las lámparas
fluorescentes poseen un costo de adquisición promedio de B/3.25 y las lámparas
LED poseen un costo promedio de B/26.00 (Lumicentro Panamá, 2010).
CAPÍTULO TRES
Metodología
Resumen del Estudio Propuesto
Para determinar si verdaderamente son más eficientes las lámparas
fabricadas con LED, en cuanto a ahorro de energía eléctrica y durabilidad, frente
a las lámparas incandescentes y fluorescentes, lo cual representaría un ahorro
en el consumo de energía eléctrica en los sistemas de iluminación de los
comercios e industrias de la ciudad de Panamá; se comenzó por recabar
información acerca del funcionamiento, tanto de las lámparas incandescentes
como también de las lámparas fluorescentes, analizadas en la investigación,
logrando cono esto obtener información acerca de las partes y materiales con lo
que están fabricadas las lámparas de tipo incandescente y fluorescentes,
además del costo de las mismas.
Sumado a lo anterior se obtuvo además información acerca del
funcionamiento, características y partes de un diodo semiconductor de tipo LED
(emisor de luz), el cual es el dispositivo base para la fabricación de las lámparas
LED. Adicionalmente se recopiló información acerca del costo y características
eléctricas y de eficiencia de las lámparas fábricas con LED.
Adicionalmente se obtuvo información acerca del costo de la energía eléctrica
pasa los comercios e industrias de Panamá, además de su consumo anual
promedio. Con esto se pretende comparar las características de costo y
eficiencia de cada uno de los tipos de lámparas analizadas en el estudio de
17
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investigación para de esta forma se pueda establecer si la nueva tecnología de
iluminación basada en lámparas LED realmente representa un ahorro en
consumo de energía eléctrica para las industrias y comercios de la ciudad de
Panamá.
Participantes
Para propósitos de este estudio se obtuvo toda la información que se
necesite acerca de las características eléctricas y costos de las lámparas
incandescentes y fluorescentes, mediante la consulta de mediante la consulta de
libros especializados en sistemas de iluminación e instalaciones eléctricas,
además de catálogos de empresas dedicadas al comercio de este tipo de
lámparas en la ciudad de Panamá; también se consultarán hojas de dato
ofrecidas por los fabricantes de este tipo de lámparas.
Adicionalmente se adquirió información acerca del funcionamiento de los
diodos emisores de luz LED, mediante la consulta de libros especializados en
principios de funcionamiento de dispositivos electrónicos semiconductores, libros
de microelectrónica y análisis de circuitos electrónicos. Sumado a lo anterior se
recopiló información acerca de las características de las lámparas fabricadas
con dispositivos LED, a través de revistas y catálogos de empresas que
distribuyen este nuevo tipo de lámparas, además de consultar las hojas de datos
ofrecidas por los fabricantes de este tipo de lámpara, adicional a esto se recopiló
también información acerca del costo de este tipo de lámparas mediante la
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consulta de catálogos de precios ofrecidos por las empresas locales en la ciudad
de Panamá, que comercian este tipo de lámparas.
El costo promedio de la energía eléctrica para las industrias y comercios de la
ciudad de Panamá, además del consumo eléctrico promedio de las mismas, fue
obtenido de la información que proporcione la empresa Elektra Noreste, que es
la encargada de la distribución de la energía eléctrica en la ciudad de Panamá.
Instrumentos
Para los propósitos de este estudio se evaluó cada uno de las características
de los tres tipos de lámparas analizadas en la investigación; las mismas fueron
evaluadas en función de los datos obtenidos de los catálogos de los fabricantes
de estos tipos de lámpara, y de los precios que se ofrecen los comercios
dedicados a la venta local de estos tipos de lámparas en la ciudad de Panamá.
Adicional a lo anteriormente planteado se realizó una tabla de comparación
en la cual se establecerá los resultados de cada una de las comparaciones en
cuanto a eficiencia y ahorros de energía eléctrica, en contraste con el costo de
adquisición de la lámpara y el costo de mantenimiento de la misma.
Procedimientos
Para los propósitos de este estudio se obtuvo primeramente información
acerca del funcionamiento, tanto de las lámparas incandescentes como también
de las lámparas fluorescentes, analizadas en ésta investigación, mediante la
consulta de libros especializados en sistemas de iluminación e instalaciones
20
eléctricas, catálogos de empresas dedicadas al comercio de este tipo de
lámparas en la ciudad de Panamá y hojas de dato ofrecidas por los fabricantes
de este tipo de lámparas. Con lo anterior se pudo obtener información acerca
del costo de las mismas. Asimismo se recabara información acerca del
funcionamiento de las lámparas fluorescentes, además de los materiales con los
cuales se fábrica, las partes que componen este tipo de lámparas, y el costo de
las mismas.
Adicionalmente se obtuvo información acerca de las características de las
lámparas fábricas con LED mediante la consulta de revistas y catálogos de
empresas que distribuyen este nuevo tipo de lámparas, además de consultar las
hojas de datos ofrecidas por los fabricantes de este tipo de lámpara, adicional a
esto se obtuvo también información acerca del costo de este tipo de lámparas
mediante la consulta de catálogos de precios ofrecidos por las empresas locales
en la ciudad de Panamá, que comercian este tipo de lámparas.
En la figura 1 se observa una gráfica que muestra la comparación entra las
horas de vida en promedio de duración de los tres tipos de lámparas analizadas
en la investigación, la cual se obtuvo mediante el análisis de los datos recabados
acerca de las características de las lámparas incandescentes, fluorescentes y de
LED. Como se observa en esta gráfica las lámparas incandescentes y
halógenas tienen un promedio de vida de 1000 horas y 5000 horas
respectivamente, las fluorescentes compactas de 8000 horas a 13000 horas y
las lámparas LED 50000 horas.
21
Figura 1
Duración Promedio en Horas de Uso de los Tres Tipos de Lámparas Analizadas
En la figura 2 se observa una gráfica que muestra la eficiencia que en Lm/W
que tienen los distintos tipos de lámparas utilizadas para el diseño de sistemas
de iluminación en función de la potencia eléctrica que consumen.
Figura 2
Eficiencia de las Distintas Lámparas Utilizadas para el Diseño de Sistemas de Iluminación
22
Como se observa en la figura 2 las lámparas LED posee una respuesta en
eficiencia constante, prácticamente independiente del consumo de potencia
eléctrica que tiene la lámpara, en contraste con las lámparas incandescentes y
fluorescentes, que para poder aumentar su eficiencia, requieren que la potencia
que consumen aumente significativamente.
En la tabla 1 se muestra el costo promedio de adquisición de cada una de los
tres tipos de lámparas, de acuerdo a la información recabada de los catálogos
de precios de las empresas que comercian este tipo de lámparas en Panamá.
Tabla 1
Costo Promedio de Adquisición en los Comercios de Panamá de los Tres Tipos de Lámparas Analizadas
Tipo de Lámpara Costo
Lámpara Incandescente B/1.23
Lámpara Fluorescente B/3.25
Lámpara LED B/26.00
Seguidamente se recopiló información acerca del costo actual de la energía
eléctrica que consumen en promedio algunos de los grandes comercios e
industrias de la ciudad de Panamá, consultando información que ofrece la
empresa Elektra Noreste, que es la encargada de la distribución de la energía
eléctrica en la ciudad de Panamá. En la Tabla 2 se muestra un resumen del
costo promedio por KW/h consumido para las industrias y comercios de la
ciudad de Panamá.
23
Tabla 2
Costo Promedio de la Energía Eléctrica para las Industrias y Comercios de la Ciudad de Panamá
Tipo de Servicio Prestado Precio
Comercial BTS (Baja Tensión) y MTS (Media
Tensión)
0.13614B/ kW/h
Industrial MTS (Media Tensión) 0.11863B/ kW/h
CAPÍTULO CUATRO
Resultados
Los resultados de este estudio serán presentados de la siguiente manera: una
descripción general de los parámetros que serán medidos para determinar la
eficiencia de los tres tipos de lámparas analizadas, seguido por los resultados de
los datos relacionados con la pregunta de investigación.
Descripción de los Parámetros que Serán Medidos para Determinar la Eficiencia
de los Tres Tipos de Lámparas Analizadas
Con los datos recabados de las fuentes de información literaria, se analizó los
tres tipos de lámparas en función de su Eficiencia, Vida y Duración promedio en
horas, Eficiencia de Iluminación en función de su consumo de potencia
promedio, además del costo promedio de adquisición de cada uno de los tres
tipos de lámparas analizadas. Cada uno de estas características fueron
evaluadas en función de los datos obtenidos de los catálogos de los fabricantes
de estos tipos de lámpara, y de los precios que se ofrecen los comercios
dedicados a la venta local de estos tipos de lámparas en la ciudad de Panamá.
Como resultado de este análisis se presenta en la Tabla 3 una comparación
en la cual se establece el costo que representa el uso de cada uno de estos tres
tipos de lámparas analizadas, en función de un uso promedio de 50000 horas,
en esta se incluyen los siguientes aspectos:
24
25
Duración de vida en horas de cada uno de los tipos de lámparas
analizadas.
Costo de adquisición.
Número de cambios de lámparas durante 50,000 horas de uso
Consumo eléctrico durante 50,000 horas de uso.
Costo del consumo eléctrico que produce cada una de las lámparas
analizadas durante 50,000 horas de uso, en función del precio del kilowatt
por hora en que se vende la energía eléctrica en la ciudad de Panamá.
Costo de la mano de obra en instalación de cada uno de los tipos de
lámparas
Costo total que se genera en función de los costos establecidos
anteriormente de cada uno de los tipos de lámparas analizadas.
En el Apéndice A se puede observar el detalle de los cálculos del costo del
consumo eléctrico para los tres tipos de lámparas durante un periodo de 50000
horas.
26
Tabla 3
Comparación de Costos, para un Periodo de 50000 Horas de Uso, entre los Tres Tipos de Lámparas Analizadas
Característica
s Analizadas
Lámpara de LED Lámpara
Incandescentes
Lámpara
Fluorescente
Duración de vida (promedio en horas)
50000 horas 1000 horas 2500 horas
Costo de adquisición
B/26.00 B/1.23 B/3.25
Número de cambios de lámpara durante 50000 horas
1 50 20
Costo de estos cambios
B/26.00 B/61.50 B/65.00
Consumo eléctrico (lámpara promedio que produce unos
9 W (90 lm/W) 40 W (10 lm/W) 25 W (55 lm/W)
Consumo eléctrico durante 50000 horas
450kWh 2000kWh 1250kWh
Costo de la energía eléctrica de consumo de la lámpara en 50000 horas
Comercio
Industria
Comercio
Industria
Comercio
Industria
B/61.26 B/53.38 B/272.28 B/237.26 B/170.17 B/148.28
Costo Total Comercio
Industria
Comercio
Industria
Comercio
Industria
B/87.26 B/79.38 B/333.78 B/298.76 B/235.17 B/213.28
27
Pregunta de Investigación #1
¿Son realmente las lámparas basadas en tecnologías LED, en comparación
con los sistemas de iluminación convencionales como las lámparas
incandescentes y fluorescentes, una nueva alternativa que permite disminuir el
consumo de energía eléctrica en las industrias y comercios de la ciudad de
Panamá?
Para responder está pregunta, se analizó las características eléctricas de las
lámparas fluorescentes y de las lámparas incandescentes y se compraron con
las características eléctricas de las lámparas fabricadas con dispositivos LED.
Como resultado de esto, de acuerdo a los resultados obtenidos en la tabla 3, en
donde se compara las características y costos de cada una de las lámparas
analizas, en función de un promedio de 50000 horas de uso, se puede
establecer que de los tres tipos de lámparas, las lámparas LED son las que
presentan un promedio de horas de vida mayor, ya que por promedio las
lámparas LED tienen una duración de 50000 horas, en contraste con las
lámparas incandescentes que solo duran 1000 horas y las lámparas
fluorescentes que solo duran 2500 horas.
Adicionalmente se observa que debido a que en promedio las lámparas LED
tienen una duración de vida en horas mayor que las otras dos lámparas
analizadas, entonces requieren un menor número de cambios de lámpara.
Por otra parte el consumo en kWh para las lámparas LED, durante las 50000
horas, es mucho menor que las otras dos lámparas analizadas en este estudio,
28
ya que las lámparas LED están consumiendo un promedio de 450kWh, en
cambio las lámparas incandescentes están consumiendo 2000kWh y las
lámparas fluorescentes están consumiendo alrededor de 1250kWh.
Consecuentemente el costo total en el uso de estos tres tipos de lámparas
analizados en éste estudio, para la iluminación de comercios e industrias de la
ciudad de Panamá, en función del precio del kWh de la energía eléctrica, del
número de cambios que se requieran durante las 50000 horas, y del costo de
adquisición de las lámparas, será mucho menor para las lámparas LED, que
para las lámparas incandescente y fluorescentes.
Adicionalmente se puede establecer que mediante el uso de lámparas LED
se logra un ahorro en costos, producto del consumo de energía eléctrica que
consume, para los comercios de la ciudad de Panamá en función del precio del
kWh, de un 74% en comparación con las lámparas incandescentes y de un 63%
en comparación con las lámparas fluorescentes. Sumado a lo anterior, para las
industrias de la ciudad de Panamá, las lámparas LED les permiten ahorrar un
74% en costo de consumo de energía eléctrica en comparación con las
lámparas incandescentes y de un 63% de ahorro en comparación con las
lámparas fluorescentes (Ver Apéndice A).
Por lo tanto se puede establecer que las lámparas LED superan en eficiencia
y ahorro de consumo eléctrico, a los otros dos tipos de lámparas analizadas en
ésta investigación, por lo tanto las lámparas LED parecieran ser un nuevo
método que permite el ahorro energético en las industrias y comercios de la
ciudad de Panamá.
CAPÍTULO CINCO
Resumen y Conclusiones
La discusión de los resultados de este estudio serán presentados de la siguiente
manera: resultados de los parámetros medidos para determinar la eficiencia de
los tres tipos de lámparas analizadas, resultados relacionados con la pregunta
de investigación y conclusiones.
Resultados de los Parámetros Medidos para Determinar la Eficiencia de los tres
Tipos de Lámparas Analizadas.
Descripción de los parámetros medidos. Dentro de los resultados obtenidos
en la medición de cada uno de los parámetros utilizados para determinar la
eficiencia de las lámparas LED, en comparación con los sistemas de iluminación
convencional que utilizan lámparas incandescentes y fluorescentes se destacan
lo siguiente:
Horas de Vida. Las lámparas LED presentan un promedio de horas de vida
mayor que las otras dos lámparas analizadas en este estudio, ya que por
promedio las lámparas LED tienen una duración de 50000 horas, en contraste
con las lámparas incandescentes que solo duran 1000 horas y las lámparas
fluorescentes que solo duran 2500 horas. Esto se debe a que las lámparas LED
están fabricadas con dispositivos semiconductores que disipan menos calor, ya
que consumen muy poca corriente eléctrica para poder emitir luz, en
comparación con los materiales con los cuales se fabrican las lámparas
29
30
incandescente y fluorescentes, razón por la cual el promedio de horas de vida de
las lámparas LED supera a las otras dos. Adicionalmente se observa que debido
a que en promedio las lámparas LED tienen una duración de vida en horas
mayor que las otras dos lámparas analizadas, entonces requieren un menor
número de cambios de lámpara.
Consumo de Energía Eléctrica. El consumo en kWh para las lámparas LED,
durante las 50000 horas, es mucho menor que las otras dos lámparas
analizadas en este estudio, ya que las lámparas LED están consumiendo un
promedio de 450kWh, en cambio las lámparas incandescentes están
consumiendo 2000kWh y las lámparas fluorescentes están consumiendo
alrededor de 1250kWh. Razón por la cual el costo total en el uso de estos tres
tipos de lámparas, para la iluminación de comercios e industrias de la ciudad de
Panamá, en función del precio del kWh de la energía eléctrica, del número de
cambios que se requieran durante las 50000 horas, y del costo de adquisición de
las lámparas, será mucho menor para las lámparas LED, que para las lámparas
incandescente y fluorescentes.
Ahorro en Costos en Consumo Eléctrico. Mediante el uso de lámparas LED se
logra un ahorro en costos, producto del consumo de energía eléctrica que
consume, para los comercios de la ciudad de Panamá en función del precio del
kWh, de un 74% en comparación con las lámparas incandescentes y de un 63%
en comparación con las lámparas fluorescentes. Sumado a lo anterior, para las
industrias de la ciudad de Panamá, las lámparas LED les permiten ahorrar un
74% en costo de consumo de energía eléctrica en comparación con las
31
lámparas inca decentes y de un 63% de ahorro en comparación con las
lámparas fluorescentes (Ver Apéndice 1).
Pregunta de Investigación #1
¿Son realmente las lámparas basadas en tecnologías LED, en comparación
con los sistemas de iluminación convencionales como las lámparas
incandescentes y fluorescentes, una nueva alternativa que permite disminuir
el consumo de energía eléctrica en las industrias y comercios de la ciudad de
Panamá?
Los resultados obtenidos al analizar las características eléctricas de las
lámparas fluorescentes y de las lámparas incandescentes y compararlas con las
características eléctricas de las lámparas fabricadas con dispositivos LED nos
permiten establecer que las lámparas LED presenta una eficiencia superior en
cuanto a consumo de energía eléctrica y niveles de iluminación en comparación
con los otros dos tipos de lámparas analizadas en la investigación, además se
comparó el costo de adquisición y de consumo eléctrico en función del precio
por kWh y se demostró que las lámparas LED presentan un ahorro significativo
en cuanto a consumo eléctrico.
Por lo tanto se puede establecer que las lámparas LED superan en eficiencia
y ahorro de consumo eléctrico, a los otros dos tipos de lámparas analizadas en
ésta investigación, por lo tanto las lámparas LED parecieran ser un nuevo
método que permite el ahorro energético en las industrias y comercios de la
ciudad de Panamá.
32
Conclusiones
Mediante el desarrollo de ésta investigación, el autor definió las
características eléctricas de las lámparas fluorescentes y de las lámparas
incandescentes y comparó con las características eléctricas de las lámparas
fabricadas con dispositivos LED. Adicionalmente el autor, en función de estas
características, estableció la eficiencia en cuanto a consumo de energía eléctrica
y niveles de iluminación que tienen las lámparas LED en contraste con los otros
dos tipos de lámparas analizadas en la investigación, además se comparó el
costo de adquisición e instalación de cada uno de estos tipos de lámpara al
momento de diseñar un sistema de iluminación para los comercios e industrias
de la ciudad de Panamá, encontrándose que el costo de adquisición de una
lámpara LED es relativamente más costos que los otros dos tipos de lámparas
analizadas, debido a que son una tecnología un poco más costosa.
Adicional a esto el autor estableció los beneficios que obtendrían las
industrias y comercios de la ciudad de Panamá al utilizar lámparas fabricadas
con dispositivos LED, dentro de sus sistemas de iluminación, en cuanto a
reducción de costos de operación debido a un menor consumo de energía
eléctrica, ya que el costo de la energía eléctrica en Panamá es demasiado alto
en la actualidad. Debido a esto las lámparas LED parecieran ser una nueva
opción de ahorro de costos para las industrias y comercios de la ciudad de
Panamá, en comparación con los costos que generan el uso de sistemas
convencionales de iluminación que utilizan lámparas incandescentes y
fluorescentes.
BIBLIOGRAFÍA DE TRABAJO
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VÁZQUEZ, T. C. (2008). Instalaciones Eléctricas en Edificios de Viviendas, Locales comerciales y Parking. España: AMV Ediciones. Cuarta edición.
APENDICES
Apéndice A
Cálculos del Costo del Consumo Eléctrico para las Lámparas Incandescente,
Fluorescentes y LED en un Periodo de 50000 Horas.
Para poder calcular el consumo eléctrico de cualquier dispositivo que se sepa su
potencia nominal de consumo se utiliza la siguiente expresión:
Pot .Consumida (tiempo )= Pt1000
(kWh )
Donde P es la potencia del dispositivo en Watts (W), t es el tiempo en el que el
dispositivo está consumiendo energía eléctrica en horas (h).
Por lo tanto el consumo de energía eléctrica de las lámparas incandescentes,
fluorescentes y de LED durante 50000 horas de uso se calcula de la siguiente
manera:
Pot .Consumida ( Incandescente )= 40W (50000h )1000
=2000 ( kWh)
Pot .Consumida (Fluorescente )=25W (50000h )1000
=1250 ( kWh)
Pot .Consumida (LED )=9W (50000h )1000
=450 (kWh)
Para el cálculo del costo del consumo eléctrico que genera un dispositivo en
específico, una vez conocido el precio del kWh, se puede calcular de la siguiente
manera:
35
36
Costo (Energía ElectricaConsumida )=Precio (B/ . )kWh
¿
Para calcular el costo del consumo eléctrico de las lámparas incandescentes,
fluorescentes y LED, de acuerdo al precio del kWh para los comercios e
industrias en la ciudad de Panamá se utilizan las siguientes expresiones:
Comercios: Precio del kWh=B/0.13614
Lámparas Incandescentes
Costo=2000kW h (B/0.13614kW h
)=B /272.28 adicionando el costo de remplazar esta
lámpara 50 veces durante las 50000 horas de prueba; el costo total sería:
costo total (Incadescen te )=B /61.50+B /272.28=B/333.78
Lámparas Fluorescentes
Costo=1250kW h (B/0.13614kW h
)=B/170.17 adicionando el costo de remplazar esta
lámpara 50 veces durante las 50000 horas de prueba; el costo total sería:
costo total (Fluorescente )=B/65.00+B/170.17=B /235.17
Lámparas LED
Costo=450kW h(B /0.13614kW h
)=B/61.26 adicionando el costo de remplazar esta
lámpara 50 veces durante las 50000 horas de prueba; el costo total sería:
costo total (LED )=B /26.00+B /61.26=B/87.26
Ahorro LED vs Incandescente
100%−¿
Ahorro LED vs Fluorescente
100%−¿
37
Industrias: Precio del kWh=B/0.11863
Lámparas Incandescentes
Costo=2000kW h (B/0.11863kW h
)=B /237 .26 adicionando el costo de remplazar esta
lámpara 50 veces durante las 50000 horas de prueba; el costo total sería:
costo total (Incadescente )=B /61.50+B /237.26=B/298.76
Lámparas Fluorescentes
Costo=1250kW h (B/0.11863kW h
)=B/148.28 adicionando el costo de remplazar esta
lámpara 50 veces durante las 50000 horas de prueba; el costo total sería:
costo total (Fluorescente )=B/65.00+B/148.28=B /213.28
Lámparas LED
Costo=450kW h(B /0.11863kW h
)=B/53.38 adicionando el costo de remplazar esta
lámpara 50 veces durante las 50000 horas de prueba; el costo total sería:
costo total (LED )=B /26.00+B /53.38=B/79.38
Ahorro LED vs Incandescente
100%−¿
Ahorro LED vs Fluorescente
100%−¿