Sorgenti luminose. Prof. Ing. Cesare Boffa

Transcript

1 Sorgenti luminose

2 Caratteristiche illuminotecniche delle sorgenti

3 Naturali Le sorgenti luminose Sole (luna) Volta celeste Artificiali Lampade a incandescenza Lampade a scarica nei gas Lampade a luce miscelata Lampade a LED

4 Caratteristiche delle lampade Flusso luminoso ø[lum] Quantità di luce emessa per unità di tempo Efficienza luminosa η lum [lum/w] Rapporto tra flusso luminoso e potenza elettrica assorbita

5 Caratteristiche delle lampade Temperatura di colore [K] Temperatura del corpo nero che emette luce dello stesso colore emesso dalla lampada

6 Resa cromatica Caratteristiche delle lampade Indice della capacità della lampada di riprodurre fedelmente i colori degli oggetti illuminati in relazione alla luce naturale (forma dello spettro di emissione) Durata media [h]

7 Lampade

8 (estratto)

9 (estratto)

10 (estratto)

11 (estratto)

12 (estratto)

13 Lampade a incandescenza Queste lampade sono le più antiche Un filamento di tungsteno (t. fusione 3643 K - corpo grigio) emette radiazione visibile portato a incandescenza per effetto Joule dal passaggio di corrente elettrica

14 Lampade a incandescenza Più è alta la temperatura del filamento, più è alta l efficienza luminosa e più è bianca la luce emessa

15 Lampade a incandescenza Occorre rimanere a temperature ben più basse di quella di fusione del filamento per evitare consumi troppo rapidi del filamento stesso (sublimazione)

16 Curve rappresentative del potere emissivo monocromatico (potenza emessa per unità di lunghezza d onda e per unità di area entro un angolo solido unitario) del corpo nero alle varie temperature

17 (estratto) Temp. Fusione Tungsteno 3370 [ C] TEMP UV VISIBILE I.R. K 0,30 0,38 [µm] 0,38 0,78 [µm] 0,78 1,40 [µm] 1, [µm] ,01% 4% 26% 70% ,03% 6% 31% 63% ,05% 7% 35% 58% ,14% 11% 37% 52% ,24% 14% 39% 47% ,45% 17% 40% 42% ,84% 21% 41% 37% Distribuzione energetica spettrale nei campi UV, Visibile ed InfraRosso, in funzione della temperatura del corpo nero

18 Ultra violetto 0 0,380 Violetto Blu Verde Giallo Arancione Rosso 0,436 0,495 0,566 0,598 0,627 0,780 Spettro del visibile Infrarosso λ [µm]

19 Per evitare fenomeni di ossidazione nell ampolla originariamente veniva fatto il vuoto Per evitare fenomeni di evaporazione superficiale e consentire il raggiungimento di elevate temperature del filamento si introduce oggi un gas inerte (argon)

20 Lampade a incandescenza Potenza emessanel visibile Potenza emessanel tutto lo 0,0202 Efficienza luminosa lumen/watt

21 Lampade a incandescenza con alogeni Lo iodio, posto all interno delle lampade, si associa al tungsteno depositato sul vetro, più freddo, e per convezione termica lo riporta sul filamento, più caldo, dove si dissocia e torna in ciclo

22 Lampade a incandescenza con alogeni È possibile così aumentare la temperatura del filamento di tungsteno (a 2800 K) la cui sublimazione è compensata dal meccanismo sopra descritto

23 Sorgenti a scarica nei gas Utilizzano le radiazioni emesse nella zona del visibile da gas eccitati mediante scarica elettrica

24 Sorgenti a scarica nei gas Gli aeriformi (vapori di mercurio, vapori di sodio, neon, ecc.), sono contenuti normalmente in tubi cilindrici di vetro alle cui estremità sono posti due elettrodi responsabili della scarica all interno del gas che ne provoca l eccitazione

25 Sorgenti a scarica nei gas Lo spettro delle radiazioni emesse dal gas eccitato è sostanzialmente a righe, sovrapposto ad una parte continua più o meno intensa

26 Lampade a vapori di mercurio a bassa pressione fluorescenti Con le lampade a vapori di mercurio a bassa pressione la parete interna del tubo può essere ricoperta da una sostanza bianca fluorescente in grado di trasformare le radiazioni ultraviolette di cui sono ricche le radiazioni emesse in radiazioni visibili

27 Lampade a vapori di mercurio a bassa pressione fluorescenti Si hanno così i comuni tubi fluorescenti CLF (fluorescenti compatte)

28 Lampada fluorescente compatta Lampada da tavolo a LED Lampione LED

29 Lampade tradizionali e nuova generazione di sorgenti luminose basate su tecnologia OLED

30 Lampade a luce miscelata Sono sorgenti combinate, a vapori di mercurio e ad incandescenza, usate per illuminazione commerciale grazie alla buona resa cromatica

31 Distruzione spettrale di alcune lampade a luce miscelata

32 Lampade a vapori di sodio Utilizzano vapori di sodio in luogo di quelli di mercurio Non hanno sali fluorescenti sull involucro di vetro

33 Lampade a vapori di sodio Emettono una luce gialla con alta efficienza luminosa e scarsa resa cromatica

34 Distribuzione spettrale di lampade al sodio

35 Lampade ad argon Sono lampade a scarica nei gas che raggiungono elevate efficienze 120 lumen/watt Utilizzate per illuminazione di grandi spazi pubblici

36 Lampade a LED LED Light Emitting Diode Sfruttano le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori che producono fotoni a partire dalla ricombinazione di coppie elettronelacuna

37 Lampade a LED I LED sono uno speciale tipo di diodi a giunzione p-n formato da un sottile strato di materiale semiconduttore (Arseniuro di Gallio GaAs, Fosfuro di Gallio GaP, fosfuro di Arseniuro di Gallio GaAsP, Carburo di Silicio SiC, Nitruro di Gallio e Indio GaInH)

38 Lampade a LED La scelta dei semiconduttori determina la lunghezza d onda dell emissione di picco dei fotoni, l efficienza della conversione elettro-ottica e quindi il flusso luminoso prodotto

39 Distribuzione spettrale del flusso radiativo (luminoso) emesso da LED monocromatici di vario colore e da LED a luce bianca.

40 Lampade a LED OLED /POLED Organic Light Emitting Diode Polymer Organic LED Polimero conduttivo elettroluminescente organico contenente una struttura costituita prevalentemente da Carbonio

41 Lampade a LED OLED /POLED Emettono luce bianca

42 Lampade a induzione La scarica nei gas è indotta senza elettrodi da un alimentatore elettronico ad alta frequenza che produce ionizzazione tramite un accoppiamento induttivo all interno della lampada

43 Lampade a induzione Le radiazioni HF vengono convertite in visibili con fosfori posti all interno della superficie esterna della lampada

44 Lampade a induzione La tipologia costruttiva, senza fili, consente di avere una durata teorica di ore, la temperatura di colore varia tra 3000 K e 4000 K La resa cromatica è Ro=85 e l efficienza luminosa raggiunge i 65 lum/w

45 Caratteristiche delle lampade a scarica

46 Rendimento delle lampade in funzione degli anni

47 Apparecchi illuminanti

48 Apparecchi illuminanti Le lampade vengono inserite in apparecchi illuminanti che hanno lo scopo di proteggerle e di modificare la distribuzione nello spazio della intensità luminosa emessa

49 Il solido fotometrico rappresenta la distribuzione nello spazio della intensità luminosa della sorgente. L indicatrice fotometrica rappresenta la sezione del solido fotometrico con un piano, in genere perpendicolare al piano utile, passante per la sorgente

50 Solido fotometrico e sua sezione in piano

51 Esempi di apparecchi da interni

52 Rendimentoluminoso = f f apparecchio lampada

53 Illuminazione artificiale

54 Esterni Illuminazione artificiale (strade, piazze, ecc) Interni (gallerie, abitazioni, uffici, ambienti industriali)

55 Calcoli di illuminamento per esterni

56

57 Illuminamento artificiale di esterni Illuminazione di strade, piazze, ecc. Illuminazione architettonica Metodo di calcolo dell illuminamento artificiale in ambienti esterni

58 Caso 1 Calcolo dell illuminamento prodotto in un punto generico P del piano utile da una sorgente puntiforme S Data una sorgente luminosa puntiforme S avente indicatrice di emissione I=I o (1+cos ε), con simmetria di rotazione attorno ad un asse verticale, con I o =1000 cd, posta ad una altezza h=3 m dal piano da illuminare calcolare:

59 Continuazione Calcolare: l illuminamento su detto piano in un punto P distante d=4 m dal piede della perpendicolare condotta dalla sorgente al piano. I ε S h=3 m ε S I(ε) P 4 m Indicatrice fotometrica

60 E dω = E = = dφ ds d φ = Idω de = I dω ds ds cosε ρ2 I cosε 2 ρ ds cosε ρ P ds Continuazione dω 4 m ε S 3 m

61 Nel punto generico P E = 1000(1 + cos cos e) 2 r e Nel nostro caso h 3 cos e = = = r 5 0,6 0,6 E = 1000(1 + 0,6) = 25 38,4 lux

62 Caso 2 Calcolo del fattore di utilizzazione del flusso prodotto da una sorgente che illumina una piazza Una sorgente luminosa puntiforme che assorbe una potenza elettrica W el =200 W con una efficienza luminosa η lum =80 lumen/watt illumina una piazza avente superficie S di 100 m 2 e vi produce un illuminamento medio pari a E m =100 lux. Calcolare il fattore di utilizzazione del flusso.

63 fattore di utilizzazione del flusso flusso flusso lumin oso lumin oso emesso utile dalla sorgente flusso luminoso utile φu = S Em = 100x100 = lumen flusso luminoso emesso dalla sorgente φ tot = Wη lum = 200x80 = lumen Fattore di utilizzazione del flusso = ,625

64 Caso 3 Calcolo dell illuminamento prodotto in un punto generico P della superficie di una piazza da una sorgente luminosa puntiforme e del coefficiente di utilizzazione del flusso Sia data una sorgente luminosa con solido fotometrico sferico con intensità luminosa I=572 cd. Questa sorgente è posta al centro di una piazza circolare di diametro 30 m ad una altezza di 8,66 m.

65 Calcolare in un punto P posto ad una distanza d=5 m dal piede della lampada: a) L illuminamento sul piano orizzontale; b) L illuminamento su di un piano normale alla congiungente il punto P con il centro della lampada. Calcolare inoltre il coefficiente di utilizzazione del flusso.

66 cosε ρ a) sul piano orizzontale 2 ρ = h 2 + d 2 = 10m E = I h cos ε = = ρ 0,866 0,866 E = 572 = 100 4,95 lux

67 b) illuminamento su di un piano normale alla congiungente punto P con il centro della lampada dω ds E = I dω = 2 ds ρ poiché ds è perpendicolare alla congiungente il punto P con il centro della lampada si ha: I 572 E = = = 5,72 lux ρ 2 100

68 Calcolo del fattore di utilizzazione del flusso 4 φtotale emesso = π Idω = 572 4π = lumen φutile = ΣEi Ai = 1796 lumen Fattore di utilizzazione del flusso = φ φ totale emesso utile = = 0,25

69 Inserto

70 Inserto (continua)

71 Inserto (continua)

72 Inserto (continua)

73 Inserto (continua)

74 Inserto (continua)

75 Caso 4 Scelta tra sorgenti luminose puntiformi aventi diverso costo e diversa efficienza luminosa Si considerino due tipi di sorgenti A e B aventi lo stesso solido fotometrico, la stessa resa cromatica e la stessa vita utile (5000 ore).

76 La sorgente A ha efficienza luminosa ηlum = 75 lumen W assorbe una potenza elettrica di 200 W el e costa, installata, 50. La sorgente B ha efficienza luminosa ηlum = 15 lumen W assorbe anch essa una potenza elettrica di 200 W el e costa, installata, 5.

77 Valutare quale sia la sorgente più conveniente a pari illuminamento prodotto sul piano utile. Si supponga che il costo dell energia elettrica sia costante e pari a 0,10 /kwh. Si intende per più conveniente quella che comporta minori costi complessivi di acquisto, installazione, gestione

78 Il costo complessivo di una sorgete è dato dalla somma del costo della sorgente (installata) c i e del costo c e dell energia elettrica assorbita nella sua vita (bilancio economico classico). Nota: in realtà bisognerebbe anche aggiungere i costi di smaltimento a fine vita ed i costi ambientali provocati dal funzionamento della sorgente durante la vita della stessa in un bilancio etico ed ambientale. Affinché i due tipi di sorgenti producano lo stesso illuminamento è necessario che producano lo stesso flusso luminoso

79 Flusso luminoso prodotto φ = η u lum W el Sorgente A φlum = 75x200 = lumen Sorgente B φlum = 15x200 = 3000 lumen

80 Per produrre lo stesso flusso luminoso sarà necessario installare 5 lampade di tipo B anziché 1 di tipo A. Il costo iniziale risulta quindi: Sorgente A c i = 50 Sorgente B c i = 5*5 = 25

81 Sorgente di tipo A Energia elettrica E.E. assorbita nella vita della sorgente EE = ore di vita potenza elettrica assorbita 6 = = 1 10 Wh = 1000 kwh = Costo c e dell energia elettrica assorbita durante la vita della sorgente c e = 1000 kwh 0,1 = kwh 100

82 Sorgente di tipo B Ciascuna sorgente di tipo B assorbe la stessa potenza elettrica della sorgente di tipo A e quindi il costo dell energia elettrica assorbita è uguale, cioè 100. Poiché occorrono 5 sorgenti di tipo B per produrre lo stesso flusso luminoso, il costo complessivo dell energia elettrica consumata è pari a 5 x100 = 500

83 Quindi la somma dei costi delle sorgenti (installate) e dell energia elettrica consumata nel corso della vita delle stesse risulta: Tipo A = 150 Tipo B = 525 Ne consegue che la lampada di tipo A, pur costando 10 volte di più di quella di tipo B, è complessivamente molto più conveniente.

84 Si fa infine notare che con la lampada di tipo A si consuma 5 volte meno energia elettrica che con la lampada di tipo B con conseguente miglioramento della sostenibilità ambientale (emissioni di CO 2, consumi di fonti energetiche non rinnovabili, inquinamento atmosferico).