LE NUOVE SORGENTI A LED Illuminazione eco-compatibile e eco-sostenibile

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1 LE NUOVE SORGENTI A LED Illuminazione eco-compatibile e eco-sostenibile Ing. Diego Bonata bonata@tiscali.it La prima associazione europea di progettisti dell illuminazione eco-sostenibile

2 LED PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Il LED, Light Emitting Device (dispositivo che emette luce) - è un componente elettronico - diodo - costruito da diversi strati (layer) di materiale semiconduttore; sollecitato da corrente elettrica, il LED emette luce. window layer p-layer strato attivo (generazione luce) n-layer - + Substrat (absorbierend oder transparent)

3 LED CARATTERISTICHE GENERALI verde giallo rosso blu Un LED emette luce monocromatica; il colore dipende dal tipo di materiale del diodo. Oggi si realizzano led a luce bianca, per esempio mescolando tre fosfori (rosso, verde e blu, RGB) che vengono eccitati da un led ultravioletto... si sono diffusi i LED a «di potenza» a luce «bianca»

4 LED PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Funziona a bassissima tensione (tra 1-4 volt) in corrente continua con alimentatore elettronico che svolge anche la funzione di trasformatore. Dati gli ingombri quasi microscopici, generalmente i LED sono forniti in aggregazioni complete di tutti i collegamenti elettrici.

5 LED PERDITE Il flusso (lm) viene calcolato con prove flash a temperature di giunzione (Tj=25 C)C) Perdite Termiche effetto Joule: : I LED nel funzionamento ordinario raggiunge una sua temperatura di giunzione (Tj). Mantenere bassa la Tj, gestendo il calore (minimiz. della resistenza termica, uso di dissipatori), si riducono le perdite. Perdite del driver: l efficienza del driver, o dell unità di alimentazione, gioca un ruolo importante nell efficacia complessiva del sistema. Perdite ottiche: le ottiche secondarie, che siano lenti, diffusori o riflettori hanno un valore di efficienza. Ottiche secondarie ben progettate e applicate correttamente, minimizzano le perdite e incrementano la performance dell apparecchio per l applicazione specifica.

6 LED CORRENTE DI ALIMENTAZIONE La corrente fornita dal driver, o unità di alimentazione, e fondamentale: all aumentare della corrente, aumenta l emissione luminosa del LED ma di contro aumenta anche la temperatura di giunzione, con la conseguente diminuzione dell efficacia luminosa (lm/w) e la durata. E importante valutazione in funzione dell applicazione: Se l efficienza è il principale requisito, un maggior numero di LED, alimentato a una corrente ottimale (Es. ~350mA), garantisce un alta efficienza, ma comporta un maggior costo di produzione dell apparecchio. Un minor numero di LED, alimentati con una corrente maggiore (Es. ~700mA), può ridurre il costo ma sarà sicuramente meno efficiente e dura anche la metà.

7 LED TEMPERATURA DI COLORE - CCT i LED a luce bianca calda (~2700K) hanno generalmente efficacia luminosa ridotta, emettendo meno lumen rispetto ai LED a luce fredda. La CCT : È influenzata dall angolo di visione ed è un valore medio È influenzata dalla presenza di filtri e ottiche secondarie Influenza il CRI (Resa cromatica) più caldo è il bianco maggiore il CRI

8 EFFICIENZA LUMINOSA LED Le tecnologie LED, in particolare i LED bianchi a fosfori, hanno avuto alto sviluppo in termini di emissioni di luce ed efficacia luminosa (lm/w) e sono ogni giorno in evoluzione. Parametri che influenzano l efficacia dei LED: - Il design degli apparecchi ha un impatto sulla dissipazione del calore, dunque sulla temperatura di giunzione, al cui aumentare diminuisce l efficacia luminosa; - L ottica secondaria; - Le caratteristiche dell alimentatore e le sue perdite; - La corrente di alimentazione che influisce sulla temperatura di giunzione;

9 LED ALIMENTATORI ELETTRONICI L alimentatore elettronico è il principale punto debole degli apparecchi a LED Deve essere correttamente dimensionato per il numero di LED Devono diminuire la corrente di alimentazione all aumentare della temperatura, diminuendo così il rischio di danneggiare i LED. Devono permettere che i LED siano dimmerati PROBLEMI DA RISOLVERE: Durata minima garantita di ore (oggi garantita < ore), Eliminazione dei condensatori elettrolitici, Sovradimensionamento per le temperature di esercizio minime (-40 C) e massime (+110 C), Sovradimensionamento per la compatibilità elettromagnetica ( %).

10 LED OTTICHE I LED preso a se stante ha una emissione luminosa di «nessun» interesse illuminotecnico. L uso di ottiche secondarie permette una ri-distribuzione della luce emessa dal LED nella direzione voluta (ottica concentrante) o di distribuire la luce con un angolo di emissione superiore (ottiche diffondenti). L ottica secondaria, per quanto trasparente, produce sempre delle perdite che vanno ad inficiare l efficienza del sistema. L ottica secondaria può essere progettata dal costruttore dell apparecchio o resa disponibile dal fornitore del LED. Il fornitore di LED, generalmente, fornisce anche i dati caratteristici delle ottiche secondarie, così che sia possibile progettare il sistema ottico.

11 LED SICUREZZA FOTOBIOLOGICA La EN 62471: 2008 sulla sicurezza fotobiologica delle sorgenti LED è recepita dalla CEI EN (CEI 76-6). I LED più performanti non raggiungono mai un livello di rischio > 2: Gruppo di Rischio 1: Gli apparecchi non presentano alcun rischio dovuto alla normale limitazione comportamentale all esposizione. Gruppo di Rischio 2: Gli apparecchi non presentano nessun rischio dovuto alla risposta istintiva a distogliere lo sguardo da una luce molto brillante o dovuta a sofferenza termica. Gruppo di Rischio 3: Gli apparecchi presentano un rischio anche per un esposizione breve o istantanea. L utilizzo per l illuminazione generale non è permesso.

12 LED APPARECCHI A LED FUNZIONALI LE TIPOLOGIE DI APPARECCHI A LED. Ottiche singole o microlenti Sistemi a riflessione

13 RENDIMENTO GLOBALE LED Apparecchio tradizionale: SAP 100W (10.700lm) alimentatore di rendimento 0.93% e DLOR 80% (Rendimento di flusso verso il basso) Apparecchio LED 1: 100 LED, 350mA, flusso lm, consumo 127W, Dlor 85.7% Apparecchio LED 2: 84 LED, 350mA, flusso 9.417lm, consumo 110W, Dlor 100% Un apparecchio illuminante a LED è meno performante già in partenza di un apparecchio con lampade a scarica e questa differenza cresce al crescere della potenza ( W).

14 LED Applicazione nell illuminazione per esterni VANTAGGI Accensione e riaccensione immediata, e dimmerazione totale Lunghissima durata (> ore) possibilità di ottenere molti colori, anche in sequenza dinamica Dimensioni contenute costi di esercizio molto ridotti SVANTAGGI La tecnologia per ottenere il colore bianco caldo è tuttora piuttosto dispendiosa indice di resa cromatica (Ra) limitato ma in evoluzione

15 SORGENTI LUMINOSE A LED L.R. 17/00 e s.m.i. 4 CONCETTO FONDAMENTALE Utilizzare sorgenti luminose efficienti L.R. 17/00. Art.6, comma 2: [ ] gli stessi devono essere equipaggiati di lampade con la più alta efficienza possibile in relazione allo stato tecnologico [ ]. D.G.R. 7/6162, Art.5 criteri comuni comma 2: [ ] lampade ad avanzata tecnologia ed elevata efficienza luminosa, quali al sodio a bassa pressione o al sodio ad alta pressione, in luogo di quelle con efficienza luminosa inferiore. Nei soli casi ove risulti indispensabile un elevata resa cromatica è consentito l impiego di lampade a largo spettro, agli alogenuri metallici, a fluorescenza compatte e al sodio a luce bianca, purché funzionali in termini di massima efficienza e minor potenza installata.

16 SORGENTI LUMINOSE A LED SORGENTI EFFICIENTI 4 CONCETTO FONDAMENTALE Utilizzare sorgenti luminose efficienti D.D.G. della Regione Lombardia n del 3 Agosto Allegato 3 [ ] L utilizzo di sorgenti e degli apparecchi a LED non deroga comunque dalla prescrizione della L.R. 17/00 e s.m.i. di emissione massima di 0.49 cd/klm a 90 ed oltre.

17 Non è sufficiente considerare la distribuzione dell inquinamento luminoso in 3D (lung., larg., alt.) La quarta dimensione è l energia dei fotoni o lunghezza d onda della luce Inquinamento luminoso = f (x, y, z, λ) -Visione scotopica (stelle): bastoncelli (luminanze <0.01 cd/m 2 ) - Visione fotopica (diurna): coni (luminanze > 3cd/m 2 ) -Visione Mesopica Illuminazione stradale notturna:0.5cd/m 2 <Lm<2cd/m 2 E necessario usare sorgenti che emettono luce a cui l occhio è maggiormente sensibile ai livelli tipici d illuminazione stradale altrimenti si inquina lo spettro elettromagnetico e si spreca gran parte dell energia luminosa senza utilizzarla per vedere.

18 Inquinamento spettrale Sorgenti più inquinanti: Quelle a largo spettro come gli ioduri Metallici Le migliori sorgenti astronomicamente parlando sono: - Sodio Bassa pressione (una sola riga spettrale vicino alla sensibilità fotopica e quindi utile per la visione notturna stradale) - I vapori di mercurio (purtroppo assolutamente inefficienti) - Il Sodio Alta Pressione che è la MENO peggio

19 Eco-sostenibilità delle leggi Anti IL COME ILLUMINARE QUANTO ILLUMINARE OTTIMIZZAZIONE IMPIANTO SORGENTI EFFICIENTI GESTIONE DELLA LUCE Per questo motivo il 4 pilastro delle leggi anti IL vuole limitare le emissioni su tutto lo spettro luminoso con maggiore attenzione alle esigenze estetiche. Ma questo è sufficiente? Oggi con l avvento dei led non lo è più. Le migliori leggi per il contenimento dell IL, per questo parametro sono diventate obsolete e POCO eco-compatibili. Bisognerebbe introdurre un limite sulla temperatura di colore a 3500K infatti

20 I LED Sorgenti eco-compatibili? compatibili? Sorgenti del presenti o del futuro? Oggi i LED per quanto riguarda l illuminazione di esterni (pur se nel rispetto dei precedenti CRITERI) NON sono ancora sorgenti luminose eco-compatibili e eco-sostenibili in quanto hanno temperature di colore >3500K

21 1- I Led Bio sensibilità Il picco di emissione nel blu dei LED usati oggi per l illuminazione esterna dai K coincide con la sensibilità max del nostro corpo ( circadian sensitivity ) Questo comporta numerosi effetti negativi, sulla salute umana e flora e fauna, in termini di alterazione metabolica e produzione di melatonina, disturbi e riduzione della sensibilità visuale. Lo stesso ministro della Sanita ha posto l attenzione sui rischi sulla salute dei LED

22 2- I Led Inquinamento luminoso Il cielo diurno è blu perché la luce blu viene diffusa 3-4 volte di più rispetto a quella gialla. Grafico di B. Clark Nell'osservazione astronomica visuale scotopica i LED: - Da K incrementano l'inquinamento luminoso (asse delle ordinate) di ben volte rispetto a sorgenti al sodio alta pressione K incrementano l'inquinamento luminoso (asse delle ordinate) di ben volte rispetto a sorgenti al sodio alta pressione

23 3- I Led Piacevolezza della luce Curva di Kruithof: correla l illuminamento con la temperatura di colore e definisce la zona di visione piacevole e confortevole. Si nota come ai bassi livelli di luce (15-25lx) della illuminazione notturna, la sorgente più adeguata sia proprio quella tipica del sodio alta pressione ( K). Più aumenta la temperatura di colore e meno confortevole diventa la luce per la visione e per l uomo. Ioduri metallici Bruciatore ceramico Sodio alta pressione Led NON eco-compatibiili

24 4- I Led Gruppo di Rischio 2 <Non guardate la lampada se funzionante. Può essere dannosa per gli occhi> Risk Group 2: include le lampade che possono costituire rischio fotobiologico per l'occhio o la pelle, anche per una esposizione di moderata durata. COME PROGETTISTI: Vi assumereste la RESPONSABILITA', in COSCIENZA, di declassare una strada usando i LED sapendo che sono estremamente abbaglianti (nonostante l'abbagliamento debilitante Li non sia lo strumento più adeguato in grado di rilevare i rischi dei LED)?

25 5-I Led UNI11248 Della UNI si è già parlato. Nota 2: Con apparecchi che emettono luce con indice di resa dei colori maggiore o uguale a 60, previa verifica, nell analisi dei rischi delle condizioni di visione, il progettista può apportare la riduzione massima di una categoria illuminotecnica. MA ha senso declassare per apparecchi dotati di sorgenti a LED? Nelle prossime slide vedremo che questo è un azzardo ed un rischio difficilmente ignorabile nell analisi dei rischi

26 5-I Led Visibilità del Cristallino Purtroppo l età non ci aiuta: invecchiando, la trasmittanza del cristallino dell occhio umano diminuisce e proprio nella zona di massima emissione LED a elevata temperatura di colore. Ciò significa che la componente blu della bianchissima luce dei LED viene diffusa maggiormen-te all'interno dell'occhio umano senza essere sfruttata nella visione. Perciò sorgenti con temperature di colore superiore a 3500K (quelle che si vedono in giro oggi) sono estremamente inquinanti e pericolose per l uomo e l ambiente Encyclopaedia of Neuroscience (2009), vol. 2, pp ,

27 Nella zona di massima emissione del sodio alta pressione (linea verticale rossa), la riflettanza è del 9% sull'asfalto, mentre al picco di emissione dei led (linea verticale azzurra) la riflettanza scende al 4% per asfalti. 6-I Led Asfalto Con sorgenti a forte componente blu (LED), rispetto a sorgenti al sodio alta pressione si ha MENO luce riflessa, MENO luminanza e quindi con i LED vedo MENO la strada. IL SUPPOSTO (DA TALUNI) VANTAGGIO DELLA LUCE BLU CADE ANCORA PRIMA DI ARRIVARE AGLI OCCHI DELL'OSSERVATORE: L'ASFALTO RIFLETTE LA LUCE BLU 2-3 VOLTE MENO DI QUELLA DEL SODIO. PCA R&D Serial No Influence of Pavement Reflectance on Lighting for Parking Lots by W. Adrian and R. Jobanputra Portland Cement Association 2005

28 7-I Led Luminanza E vero che la luminanza di sorgenti a forte componente bianco-blu tipo LED è percepita meglio di quella di sorgenti al sodio? SI, PECCATO che questo avviene solo per luminanze inferiori a 0.1 cd/m2 che sono ben 5 volte inferiori al valore minimo di luminanza previsto per strade locali (ME5) (la maggior parte) e 10 volte inferiori al valore minimo per strade provinciali e statali (ME3), che complessivamente comprendono il 90% delle tipologie di strade. MESOPIC LIGHTING CONDITIONS AND PEDESTRIAN VISIBILITY Jaakko KETOMÄKI, Marjukka ELOHOLMA, Pasi ORREVETELÄINEN, Liisa HALONEN - Helsinki University of Technology, Lighting Laboratory, Finland ( )

29 8-I Led Tempi di reazione Gli studi indipendenti qui riportati evidenziano che non ci sono sostanziali differenze nei tempi di reazione se non al di sotto di 0,1cd/m2 (da 5 a 10 volte meno della luce richiesta alle tipologie di strade più comuni ed a luminanze non utilizzabili nell'illuminazione notturna). La differenza è oltretutto bassissima (inferiore a 1/10 sec) e vicina all incertezza di misura, che rispetto ai normali tempi di reazione umana nella guida soprattutto in caso di alterazione dello stato psicofisico (4-5 sec.) non può essere neppure considerata. Analysis of the Existing visual performance based mesopic models and a proposal for a model for the basic of mesopic photometry Meri Viikari - Helsinki University of Technology - Espoo 2007

30 9-I Led Risparmio energetico VALUTAZIONE ECONOMICA ILLUMINAZIONE STRADALE A LED: 1- REALIZZAZIONE: OGGI un apparecchio a LED costa SEMPRE almeno 2 volte di più rispetto ad apparecchi tradizionali 2- COSTI ENERGETICI: OGGI impianti con apparecchi a led (a parità di condizioni e rispetto delle norme) raramente hanno consumi paragonabili a quelli di impianti al sodio a parità di rispetto delle leggi e norme di settore 3- COSTI MANUTENTIVI: OGGI impianti con apparecchi a led hanno costi manutentivi SEMPRE superiori a quelli di impianti al sodio infatti i costi sono: -Sodio AP: cambio lampada / pulizia vetro almeno ogni 4 anni (costi da / anno) - Led: Pulizia vetro almeno ogni 4 anni (10-20 / punto luce) Durata ore = 12.5 anni (ottimistico) contro la durata di un apparecchio al sodio 25 anni. Quindi prevedere la sostituzione dell apparecchio a metà vita ( ) Durata alimentatore elettronico anni (100 )

31 Concludendo Risparmio energetico e eco-sostenibilità della luce sono oggi una realtà conciliabile se si fa attenzione ai miraggi «luminosi» e se si utilizzano le nuove tecnologie in modo oculato. Grazie per l attenzione Ing. Diego Bonata