Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico

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1 Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico SARA PADOVANI Centro Ricerche Plast-optica S.p.A. Udine 30 Gennaio 2015

2 Index Illuminazione LED e risparmio energetico Principi di funzionamento LED bianchi e contributo di Akasaki, Amano e Nakamura Vantaggi delle sorgenti LED rispetto a sorgenti tradizionali Sistemi di illuminazione a LED Esempi applicativi Un centro di ricerca regionale focalizzato sull illuminazione: Centro Ricerche Plast-optica S.p.A. (Magenti Marelli) Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 2

3 Illuminazione globale Ogni anno per l'illuminazione vengono consumati 2650 TWh, il 20% circa della produzione globale di energia elettrica Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 3

4 Consumi in illuminazione EU - Italia Le previsioni internazionali riguardanti la penetrazione nel mercato dell illuminazione delle sorgenti LED prevedono un potenziale di risparmio energetico del 50% nell anno 2025 rispetto a quello che si avrebbe utilizzando le tecnologie tradizionali, sia pur migliorate, in uso nell anno Lo sviluppo e la diffusione dell illuminazione a LED rappresenta quindi una grande opportunità di risparmio energetico ed economico per l Italia, permettendo risparmi energetici tra il 5% e il 10% di tutta l energia elettrica consumata (ovvero di circa 20 TWh/anno). Spesa energetica italiana TWh - Spesa energetica italiana 2025 ILLUMINAZIONE E 16% Introduzione sorgenti LED RISPARMIO 8% 8% ILLUMINAZIONE 84% 84% Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 4

5 Come aggredire il problema del risparmio energetico nel settore Il risparmio energetico nel campo dell illuminazione si può perseguire a tre livelli, ottimizzando l efficienza energetica di: semiconduttore LED in package dispositivo di illuminazione LED chip LED in package Dispositivo di illuminazione a LED Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 5

6 Come aggredire il problema del risparmio energetico nel settore E necessario che le soluzioni siano pronte per essere applicate nei campi più disparati per ottenere una diffusione che garantisca un risparmio più rapido ed efficace. illuminazione interni e domotica illuminazione esterni (edifici, elementi architettonici) illuminazione stradale dispositivi portatili retrofitting illuminazione edifici (architectural) dispositivi biomedicali Elettrodomestici automotive Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 6

7 Principi di funzionamento di un LED NOBEL LECTURE IN PHYSICS di Nakamura A differenza delle sorgenti tradizionali che emettono su uno spettro ampio e usano filtri per selezionare il colore, Il LED presenta uno spettro di emissione caratterizzato da un picco piuttosto stretto. Quindi tutta la luce emessa è del colore determinato dal materiali utilizzati per costruirlo. Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 7

8 Materiali utilizzati per la produzione di sorgenti LED LED Rossi-gialli AlInGaP LED Verdi-blu AlInGaN Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 8

9 Principi di funzionamento LED bianchi Esistono due modi per produrre luce bianca con i LED: Sistema LED multicolore -> RGB Rosso Verde Blu Conversione con fosfori -> LED blu e fosfori gialli + = LED blu Fosfori gialli LED a luce "bianca" Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 9

10 Principi di funzionamento LED bianchi Esistono due modi per produrre luce bianca con i LED: Sistema LED multicolore -> RGB Rosso Verde Blu richiedono alimentazione e controllo elettronico per ciascun LED richiedono stabilità e affidabilità confrontabili per ciascun LED hanno minore efficienza (LED verdi) Conversione con fosfori -> LED blu e fosfori gialli Singola alimentazione Maggior efficienza energetica Possibilità comunque di creare LED a differente temperatura di colore Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 10

11 Akasaki, Amano e Nakamura contributo allo sviluppo di sorgenti LED blu e bianche NOBEL LECTURE IN PHYSICS di Nakamura Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 11

12 Akasaki, Amano e Nakamura contributo allo sviluppo di sorgenti LED blu e bianche NOBEL LECTURE IN PHYSICS di Nakamura 1993: Shuji Nakamura, in Nichia (foto) realizza il primo LED blu su GaN 1996: Nakamura (Nichia) sviluppa il primo LED bianco basato su un LED blu monocromatico con fosfori gialli YAG (Yittrium Aluminum Garmet) Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 12

13 LED e Package LED chip LED in package Dimensioni: 0,2-1 mm Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 13

14 Package di un LED bianco LENTE Riflettore LED chip (semiconduttore) Uno o più chip per sorgente Fosfori gialli Substrato Catodo Anodo 2-20mm L efficienza di un LED è legata non solo all efficienza di conversione del semiconduttore, ma anche al PACKAGE del LED stesso, per cui è necessario ottimizzare tutti i componenti. Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 14

15 Package di un LED bianco L efficienza e la durata dei LED è strettamente legata alla temperatura di giunzione. Al fine di migliorare le prestazioni delle sorgenti a stato solido, i produttori di LED stanno lavorando all ottimizzazione dei package (con particolare attenzione al substrato). LED chip (semiconduttore) Uno o più chip per sorgente Substrato Catodo LENTE Riflettore Fosfori gialli Anodo 2-20mm I generazione II generazione III generazione Package plastico. Chip montato su pin metallico e incapsulato in resina epossidica. Package plastico. Chip montato su thermal PAD metallica e incapsulato in silicone trasparente. Package ceramico. Chip montato su supporto ceramico (AlN) e incapsulato in silicone trasparente. Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 15

16 Package di un LED bianco I fosfori convenzionali sono di tipo YAG e in principio venivano dispersi in polimero (tipicamente siliconico). Nuovi fosfori e nuove configurazioni possono determinare un incremento di conversione blu->gialla, con aumento dell efficienza della sorgente bianca. LED chip (semiconduttore) Uno o più chip per sorgente Substrato Catodo 2-20mm LENTE Riflettore Fosfori gialli Anodo Fosfori in polimero Fosfori in film sottile Fosfori remoti Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 16

17 Vantaggi sorgenti LED vs sorgenti tradizionali Economicità Maggiore efficienza luminosa (150lm/W e 200 lm/w in laboratorio) Tempi di vita significativamente maggiori: ore per un emissione mantenuta fino la soglia del 70% del valore nominale Flessibilità d uso Miglior indice di resa cromatica rispetto lampade fluorescenti e sodio Ingombri sensibilmente ridotti, intrinsecamente modulari Tempi di commutazione acceso/spento ridottissimi Facilità nella regolazione del flusso (dimmerabilità) Possibilità di controllare e variare il colore e la temperatura di colore nel bianco Ridotta dissipazione del calore Nuove prospettive di design Sicurezza Lavorano in bassa tensione Non contengono sostanze nocive (NON CONTENGONO Hg o Pb) Resistono bene agli urti ed alle vibrazioni Tendono a perdere luminosità gradatamente invece di rompersi Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 17

18 Lumen / Watt Efficienza luminosa Negli ultimi dieci anni la crescita in termini di Lumen/watt è stata costante portando ad una rapida discesa del costo per lumen. In laboratorio è già stata superata la barriera dei 200 Lumen/Watt Source: Lumileds Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 18

19 Tempi di vita Il tempo di vita della sorgenti LED è nettamente superiore a qualsiasi altra tipologia di lampada. Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico October 1st,

20 Indice di resa cromatica L indice di resa cromatica Ra o Color Rendering Index (CRI) ci dice in che modo una sorgente è in grado di riprodurre il colore di un oggetto da essa illuminato. I LED bianchi, soprattutto quelli a temperatura colore più calda, hanno raggiunto un CRI migliore del 90%. Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 20

21 Svantaggi sorgenti LED vs sorgenti tradizionali UN SOLO IMPORTANTE SVANTAGGIO: OGGI AL LUCE EMESSA DAI LED HA UN COSTO DI PRIMA INSTALLAZIONE PIÙ ALTO Prospettive di costo per una lampada 60 W equivalente Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico October 1st,

22 Euro Pay back time applicazioni navali Sostituzione di ALAGENA con faretto LED Costo cumulativo ALOGENA 20W Costo cumulativo Faretto LED 7W Risparmio cumulativo creato Anno Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 22

23 Dispositivi di illuminazione a LED LED chip LED in package Dispositivo di illuminazione a LED Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 23

24 Dispositivi di illuminazione a LED DISSIPATORE HOUSING CIRCUITO STAMPATO SORGENTI LED OTTICHE Eventuali diffusori Efficienza di sistema = efficienza del elettronica di controllo X efficienza ottica X efficienza termica X efficienza luminosa del LED Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 24

25 La progettazione integrata La progettazione del prodotto viene svolta di pari passo a quella del processo, con significativi vantaggi in termini di costo, qualità e riduzione dei tempi di sviluppo. Analisi di dati e requisiti di base da cliente Studio ottico e meccanico su CAD Progetto elettronico e calcolo termico Simulazione ottica (ray-tracing) Simulazione processo di stampaggio Prototipazione e verifica Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 25

26 Progettazione ottica Da un punto di vista tecnico le ottiche per l illuminazione differiscono in maniera sostanziale da quelle utilizzate per gli strumenti ottici tradizionali (i.e. telescopi, macchine fotografiche ) - imaging optics Lo scopo non è quello di ottenere delle immagini perfette ma quello di massimizzare l uso della luce. Di qui la denominazione di non-imaging optics Un aspetto fondamentale della progettazione ottica dei sistemi di illuminazione LED consiste nel definire la tipologia della sorgente più adatta ad ogni specifica applicazione e le geometrie, le caratteristiche e i materiali delle ottiche secondarie associate ad essa. Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 26

27 Progettazione ottica Dal punti di vista ottico, un LED è una sorgente puntiforme quasi ideale. Il fascio luminoso emesso da una sorgente LED è di tipo lambertiano. Ciò significa che l'intensità della sorgente non è concentrata verso specifiche direzioni. Esempi di non-imaging optics sono: elementi ottici microstrutturati o micro-ottiche Compound Parabolic Concentrator o CPC elementi ottici a riflessione interna totale o TIR elementi ottici calcolati Sorgente Collimatore TIR Principio di funzionamento di un collimatore TIR CPC Ottiche a geometria complessa Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 27

28 Progettazione ottica Definizione del modello ottico: scelta sorgente definizione tipologia e geometria di massima delle ottiche definizione proprietà ottiche del sistema Modellazione ottiche Ray tracing Analisi risultati Creazione del modello ottico Ray Tracing Analisi Risultati Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 28

29 Realizzazione componenti ottici stampaggio ad iniezione Lo stampaggio ad iniezione viene utilizzato per la trasformazione dei polimeri termoplastici al fine di realizzare di elementi ottici, trasparenti e non, da accoppiare alle sorgenti LED per generare gli output fotometrici richiesti dalle applicazioni illuminotecniche. Principali fasi dello stampaggio ad iniezione; A: accumulo o carica del materiale fuso, B: iniezione del polimero, C:mantenimento-compattamento/raffreddamento, D:estrazione. Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 29

30 Realizzazione componenti ottici stampaggio ad iniezione STAMPO AD INIEZIONE Il processo di stampaggio ad iniezione tradizionale IM ha accolto nel corso del tempo particolari sue varianti, quali l inietto compressione (ICM) e lo stampaggio assistito da vuoto tecnico (VIM), che hanno portato vantaggi quanto a realizzazione di geometrie ottiche sempre più complesse che superano i limiti tecnologici del processo storicamente affermato. Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 30

31 Realizzazione componenti ottici materiali TRASPARENTI 1. PMMA (polimetilmetacrilati) 2. PC (policarbonati) 3. COC (ciclo-olefine) NON TRASPARENTI PER APPLICAZIONI IN RIFLESSIONE (con metallizzazione superfici) 1. ABS (acrilonitilbutadienstirene) 2. Blend PC/ABS 31

32 Progettazione elettronica Scheda con sorgenti LED ed elettronica di contollo integrata Interfacce di comunicazione Wireless Power Line Comunication Controllo Microcontrollore Driver switching di potenza Sensoristica: sensore colore sensore movimento Dimeraggio PWM Variazione tonalità Sensore movimento Sensore colore/luminosità Variazione Intensità Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 32

33 Progettazione termica Cosa Cambia con i LED rispetto le sorgenti tradizionali: Non c è emissione di calore per radiazione dalla sorgente Il calore viene dissipato per conduzione I componenti (elettronici) sono molto più sensibili alla temperatura ambiente LED Conduzione termica Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 33

34 Progettazione termica 2. Preparazopn Mesh FEM (elementi finiti) 1. Modello CAD 5. Analisi die risultati 3. Impostazione modello fisico 4. Simulazione Accuratezza (+/- 3 C) Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 34

35 Mercato generale dell illuminazione Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 35

36 Mercato generale dell illuminazione Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 36

37 Mercato dell illuminazione a LED Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 37

38 Residenziale e commerciale (indoor) Vantaggi sorgenti LED: - Maggiore risparmio energetico e durata - Minori costi di manutenzione - Intelligenza con sensoristica integrabile on board che consente ottimizzazione del confort e la riduzione dei consumi - Customizzazione in termini di temperatura di colore - Ampi margini per nuovi design Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 38

39 Industriale Vantaggi sorgenti LED: - Maggiore risparmio energetico e durata - Minori costi di manutenzione - Intelligenza con sensoristica integrabile on board che consente ottimizzazione del confort e la riduzione dei consumi - Customizzazione in termini di temperatura di colore - Ampi margini per nuovi design Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 39

40 Edifici (architectural) Vantaggi sorgenti LED: - Maggiore risparmio energetico e durata - Minori costi di manutenzione - Intelligenza con sensoristica integrabile on board che consente ottimizzazione del confort e la riduzione dei consumi - Ampi margini per nuovi design China Sheraton Huzhou Hot Spring Resort Munich Allianz Arena Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 40

41 Retrofitting Vantaggi sorgenti LED: - Maggiore risparmio energetico e durata - Minori costi di manutenzione - Intelligenza con sensoristica integrabile on board che consente ottimizzazione del confort e la riduzione dei consumi Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 41

42 Illuminazione stradale (outdoor) Vantaggi sorgenti LED: - Maggiore efficienza e durata di lampade al sodio - Minori costi di manutenzione - Drastica riduzione dell inquinamento luminoso per possibilità di indirizzare il fascio al suolo mediante ottiche dedicate - Maggiore resa cromatica di lampade al sodio Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 42

43 Illuminazione stradale (outdoor) Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico October 1st,

44 Domotica e luci emergenza Vantaggi sorgenti LED: - Maggiore risparmio energetico e durata - Minori costi di manutenzione - Intelligenza con sensoristica integrabile on board che consente ottimizzazione del confort e la riduzione dei consumi - Customizzazione in termini di temperatura di colore Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico October 1st,

45 Mercato del LED Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 45

46 Automotive Color On Demand Ambient lighting Rear Combination Light (RCL) & Center High-Mounted Stop Lamp (CHMSL) Head Up Display 2008 Infrared nightvision system 2004 Infrared distance control Interior lighting 2002 Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 46

47 Automotive: fanali e proiettori Difficoltà Time to market Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 47

48 Centro Ricerche Plast-Optica (CRP) Il Centro Ricerche Plast-Optica è una Azienda del Gruppo Magneti Marelli Automotive Lighting. È stata fondata nel 2002 grazie allo sforzo congiunto di Centro Ricerche FIAT, Automotive Lighting Italia e Agemont (Agenzia per lo Sviluppo Economico dell'area montana della Regione Friuli Venezia Giulia). Il CRP ha sede ad Amaro (UD) all'interno del comprensorio Agemont C.I.T. (Centro di Innovazione Tecnologica), un incubatore per l'avvio di aziende ad alta tecnologia, che mette a disposizione degli insediati servizi e collegamenti istituzionali. Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 48

49 Linee di ricerca CRP svolge attività di ricerca industriale e sviluppo precompetitivo nei seguenti campi: ottica per illuminazione e segnalazione tecnologie e processi elettronici stampaggio a iniezione di termoplastici e processi correlati micro e nano tecnologie. Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 49

50 La missione fornire innovazione a Magneti Marelli e Automotive Lighting, fornire innovazione, servizi supplementari e consulenze alle PMI, diventare un punto di riferimento tra centri di ricerca europei per i campi di competenza. Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 50

51 Il futuro Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 51