2015 Año Internacional de la Luz

Academia Mexicana de Ciencias
Boletín AMC/143/15
México, D.F., 15 de junio de 2015

• El doctor Iván Moreno Hernández, de la UAZ, e investigadores de la Universidad Central Nacional de Taiwán diseñaron un nuevo tipo de lámpara LED que ilumina de manera homogénea, lo cual la hace más cómoda a la vista de manera que facilita la capacidad de discriminación visual de los conductores
• Con este trabajo, publicado en la revista Optics Express, además de lograr uniformidad en la iluminación, también se mejoró la eficiencia óptica y la contaminación luminosa, reduciéndola a solo 2%

Distribución de la luz con una luminaria convencional.
Foto: Cortesía del investigador Moreno Hernández.
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Paulatinamente, las lámparas convencionales del alumbrado público se están reemplazando por lámparas de luz LED, pues éstas emplean mucho menos energía para generar luz, iluminan más uniformemente, son más compactas y ocupan menos espacio, y responden más rápidamente a cambios de voltaje.

En los LED (siglas en inglés de diodos emisores de luz), la electricidad se convierte directamente en fotones, mientras que en otras fuentes la mayor parte de la electricidad se transforma en calor y sólo una pequeña parte en luz. En los focos incandescentes, la corriente eléctrica calienta un filamento que emite luz, mientras que en las lámparas que contienen gas, éste produce luz y calor.

Además de desperdiciar energía, las lámparas de iluminación convencional tienen otros defectos como no generar un patrón uniforme de luz, el cual provoca deslumbramientos y que haya contaminación lumínica, el fenómeno que se produce cuando la luz de la lámpara no entrega toda su luz al sitio deseado sino que una parte se dirige hacia el cielo, se esparce en la atmósfera y se regresa hacia la superficie terrestre, provocando que el cielo se vea como si estuviera nublado, impidiendo así la visibilidad de las estrellas y demás objetos celestes.

Mejorando los LED

A pesar de que las lámparas LED eliminan en gran medida estos inconvenientes, todavía hay características que se pueden mejorar. Para ello, el doctor Iván Moreno Hernández, de la Universidad Autónoma de Zacatecas (UAZ), junto con investigadores de la Universidad Central Nacional de Taiwán, diseñaron un nuevo tipo de lámpara LED que ilumina solo donde se requiere de manera homogénea, lo cual es indispensable para evitar los reflejos, hacerla más cómoda a la vista de manera que se facilite la capacidad de discriminación visual de los conductores.

“Anteriormente, las luminarias LED se armaban con lentes monolíticas, es decir, cada LED distribuye la luz de sobre la calle, aquí en su conjunto diseñamos lentes que generan haces de rayos paralelos, o colimados, que pasan a través del arreglo de microlentes que los distribuye uniformemente. Esto hace que sean muy eficientes y que la luz no se desperdicie hacia otras direcciones”, explicó el también miembro de la Academia Mexicana de Ciencias.

El módulo de iluminación es de fácil diseño y fabricación porque únicamente necesita un grupo de LED, lentes de reflexión total interna (TIR, por sus siglas en inglés), una cavidad reflectiva y un arreglo de placas de microlentes.

Los LED se colocan en la cavidad de alta reflectividad para reciclar la luz e incrementar la eficiencia óptica; cada LED se cubre con una lente TIR que tiene la función de reducción de ángulo de divergencia de los rayos de luz. La placa de microlentes tiene un papel importante en todo el módulo porque modela y homogeniza los rayos de luz. El resultado es que la lámpara distribuye la luz dentro de la superficie de la calle con un alto desempeño.

“Con este trabajo se establecieron tres récords mundiales porque la uniformidad de la iluminación sobre la calle es mejor que las anteriores tecnologías, así como la eficiencia óptica y la contaminación luminosa que en el momento en que se publicó – en 2013 en la revista Optics Express– era del 10 % y nosotros la redujimos a 2%”.

Más recientemente, Moreno Hernández, doctor en ciencias con especialización en óptica, participó en un estudio en el que junto con colegas de la UAZ y de la UNAM, diseñó un modelo matemático para simular cómo se distribuye la luz en las calles con luminarias LED. “No solo de la que nosotros desarrollamos sino en general y que ya se construye en Taiwán, sino también de lámparas LED de alta eficiencia en general. Hasta este trabajo, no se había documentado una teoría fotométrica del alumbrado público con iluminación de este tipo”, aseguró.

El modelo utiliza parámetros clave como la altura de la lámpara, la longitud del brazo, la inclinación y el patrón de iluminación, de manera que se puede, por ejemplo, calcular cuántos lúmenes (una medida de potencia luminosa emitida por la fuente) por metro cuadrado hay en cada punto de la calle.

En general, la simplicidad del modelo hace que sea fácil de entenderlo y aplicarlo para analizar y diseñar sistemas de alumbrado público; además, es susceptible de ser mejorado si se le introducen aspectos de un caso particular. Por ejemplo, este modelo puede ser útil para introducir las variaciones aleatorias de fabricación y de instalación de luminarias. El trabajo futuro puede incluir derivaciones de las condiciones de diseño para que las instalaciones del alumbrado público LED minimicen la contaminación lumínica, aumenten la comodidad y la visibilidad, y maximicen tanto la uniformidad de la iluminación como la eficacia de la utilización de la luz, concluyeron los autores en su artículo.

Alejandra Monsiváis Molina.