Passaggio al LED by Daily Enmoveme

Passaggio al LED Stato dellâ&#x20AC;&#x2122;arte di una rivoluzione tecnologica

autore:

Felice Lucia

Editore: enmoveme, Viale della Costituzione Is. A/3, Centro Direzionale - 80143 Napoli Copyright ÂŠ 2014 enmoveme ISBN: 978-88-98673-12-4

PASSAGGIO AL LED Stato dell’arte di una rivoluzione tecnologica

PREFAZIONE Per evitare di restare nell’oscurità, la prima soluzione trovata dall’uomo fu la combinazione di fuoco e fiaccola e successivamente la lampada ad olio, la luce a gas e la candela. Solo nel 1878 è stata inventata la prima lampadina ad incandescenza da Thomas Alva Edison – un’invenzione senza la quale la vita di oggi sarebbe impensabile. L’avvento dell’illuminazione elettrica fu un prodotto della rivoluzione Industriale del XVIII secolo, che a sua volta, ha prodotto una rivoluzione economica e sociale che ha trasformato la vita sulla terra come non mai ad un punto tale che, se venisse meno la luce elettrica la vita commerciale, sociale e culturale rimarrebbe paralizzata [L. Di Fraia]. Lo sviluppo della lampada elettrica cominciò con la lampada ad arco di carbone, che divenne disponibile all’incirca nel 1850, ma i suoi miglioramenti continuarono fino al 1900, quando raggiunse quasi la perfezione. Parallelamente allo sviluppo delle lampade, si perfezionarono i sistemi di produzione e distribuzione dell’elettricità, il che facilitò la diffusione dell’illuminazione elettrica. I tempi d’oro della lampada ad arco di carbone furono alla fine del XIX secolo , dopo di che venne superata dalla lampada elettrica ad incandescenza. Da 1924 in poi, in diverse parti del mondo, i produttori di lampade lavorarono per creare una lampada a scarica nei vapori di mercurio a bassa pressione. Nel 1935 apparve la 1a lampada fluorescente tubolare. 3

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Uno sviluppo importante si ebbe nel 1980, con l’introduzione delle lampade fluorescenti compatte, dette anche a risparmio energetico. La prima lampada a vapori di mercurio ad alta pressione apparve nel 1906, ma tali lampade non hanno mai avuto grande successo a causa della loro modesta efficienza luminosa e delle scarse qualità cromatiche. Nel 1961, fu inventata la lampada a vapori di mercurio ad alta pressione con l’aggiunta di alogeni, dando luogo alle lampade a vapori di alogenuri, commercializzate nel 1964, caratterizzate da elevata efficienza e buone qualità cromatiche. Le prime lampade a vapori di sodio, apparse nel 1931, furono del tipo a bassa pressione. Ma la loro resa del colore era (ed è) praticamente nulla. Perciò, nel 1964, apparvero lampade al sodio ad alta pressione, caratterizzate da una discreta resa del colore, ma da una minore efficienza luminosa. Le prime, come le seconde, sono prevalentemente impiegate nella pubblica illuminazione, oltre che nell’illuminazione di capannoni industriali (le seconde). Negli anni ’80 sono comparse sul mercato le fibre ottiche per usi illuminotecnici in un limitato numero d’applicazioni; realizzate in vetro o in PMMA le cosiddette “guide di luce”sono diverse da quelle destinate alle telecomunicazioni e ottimizzate per lo spettro visibile. Alla fine degli anni 80 arriva sul mercato la tecnologia LED. La loro nascita risale all’ottobre del 1962, quando il fisico Nick Holonyak jr riuscì a trovare un’applicazione al fenomeno di elettroluminescenza, gia’ scoperto nel 1907. 4

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Dipendente della General Electric nello Stato di New York, Holonyak presentò all’American Institute of Physics un documento sulla creazione di uno spettro visibile rosso a base di LED di arseniuro di gallio fosfato (GaAsP). Solo due anni dopo, nel 1964, i primi LED rossi entrarono in commercio. Dovettero invece passare alcuni anni, arrivando al 1980, perché si potessero usare anche LED gialli, arancioni e verdi, mentre il blu arrivarò solo nel 1991. Successivamente, combinando i tre colori rossi, verde e blu con speciali dispositivi, fu possibile generare qualsiasi colore e, contemporaneamente, aumentare la qualita’ di luce emessa. I primi LED venivano costruiti già negli anni ’60 e venivano impiegati come indicatori nei circuiti elettronici, nei display a sette segmenti, negli optoisolatori e soprattutto come spie luminose sui dispositivi per indicarne lo stato. In questi ultimi anni, il sostanziale sviluppo di questa tecnologia ne ha permesso l’utilizzo anche come sorgente luminosa in sostituzione di quelle tradizionali. Sono possibili svariate applicazioni: dalle lampade scialitiche delle sale operatorie, dagli emettitori di Reef Aquarium, dalla retroilluminazione dei display LCD di telefoni cellulari, fotocamere digitali, lettori MP3 e televisori, alle calcolatrici e orologi digitali, alle insegne stradali, all’illuminazione museale e/o decorativa. L’arrivo dei LED ha letteralmente sconvolto il mondo della luce. I LED rappresentano un cambiamento tecnologico epocale, una radicale trasformazione nell’intero settore, una vera e propria rivoluzione. 5

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è riduttivo parlare sempre e solo di efficienza energetica. Occorre iniziare a parlare di qualità della luce, di qualità totale dell’apparato, di gestione, etc; occorre iniziare a parlare di tutti quegli aspetti che grazie ai LED determineranno nei prossimi anni il nuovo modo di progettare la Luce. Quello a cui si tende sono l’efficienza luminosa, la resa del colore e la possibilità di creare degli spettri ad hoc, a seconda di quello che si vuole illuminare. In poche parole il LED cambia la scena della luce: cambia le forme, la progettazione, i consumi, il mercato. Si calcola che entro il 2020 (secondo MarketWatch), una lampadina LED dovrebbe costare la meta’ del prezzo attuale. Nel corso dell’ultimo anno i LED hanno acquisito una fetta rilevante del mercato dell’illuminazione e il loro sviluppo, ormai, è legato più ai settori R&D delle grandi ditte che li producono piuttosto che alla ricerca accademica, che si focalizza su aspetti particolari della questione. Nel Capitolo I di “Passaggio al LED: Stato dell’arte di una rivoluzione tecnologica” viene presentata nel dettaglio l’attuale situazione del mercato mondiale dell’illuminazione, distinguendone i vari segmenti e tracciandone il trend fino al 2020: in particolare, vengono specificati gli aspetti tecnologici, economici e politici che potranno favorire la penetrazione dei LED. Viene infine tracciato un quadro delle aziende operanti nel settore.

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Nel Capitolo II vengono ampiamente descritte le caratteristiche delle tecnologie per l’illuminazione attualmente disponibili sul mercato, soffermandosi tanto sugli aspetti economici e legislativi che su quelli più strettamente tecnologici, confrontandone i vantaggi e gli svantaggi. Il Capitolo III costituisce un dettagliato approfondimento tecnico sulla struttura e sul funzionamento dei LED: l’accento viene posto, in particolare, su tutte le caratteristiche necessarie a comprenderne a fondo le differenze ottiche ed energetiche rispetto alle altre tecnologie, con riferimento anche alle tecnologie di alimentazione e al retrofitting. Nel Capitolo IV viene approfondito il confronto tra gli aspetti energetici ed economici delle varie tecnologie di illuminazione e viene quindi fornito un elenco delle potenzialità e criticità peculiari dalla tecnologia LED. Infine, allo scopo di favorire una piena comprensione, ci si sofferma sulle modalità di progettazione e di lettura dei dati fotometrici. Il delicato tema della sicurezza e delle certificazioni costituisce invece l’argomento centrale del Capitolo V, nel quale vengono dettagliati gli standard di qualità attualmente disponibili per il settore illuminotecnico e viene fornito un quadro dei più recenti test effettuati sui LED e dei risultati ottenuti. A completamento è posta una dettagliata trattazione ingegneristica di alcuni casi studio relativi all’installazione di impianti a LED, così da evidenziare le differenze tra gli approcci progettuali relativi alle diverse tipologie di installazioni. 7

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Allo scopo di rendere il manuale un vero e proprio punto di riferimento per gli addetti al settore, viene infine fornita nel Capitolo VI una guida pratica, nella quale sono riassunte le diverse considerazioni da effettuare nella fase di progettazione di un impianto a LED e nella scelta dei prodotti, con precisazioni riguardo alla lettura delle informazioni tecniche riportate sugli imballaggi. “Passaggio al LED: Stato dell’arte di una rivoluzione tecnologica” riassume quindi la complessità della situazione attuale e fornisce una previsione sulle prospettive di mercato, al fine di sostenere una pianificazione strategica.

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INDICE PREFAZIONE..................................................................... 1. Mercato e industria dell’illuminazione...... 1.1. Panoramica del mercato dell’illuminazione..... 1.2. Attività governative............................................ 1.3. La rivoluzione dei LED....................................... 1.4. Un’industria multiforme.................................... 1.5. Il mercato globale............................................... 1.6. Definizione della catena del valore per i LED... 1.7. I produttori.......................................................... 1.8. I consumatori...................................................... 2. TECNOLOGIE DI ILLUMINAZIONE.............................. 2.1. Caratteristiche..................................................... 2.2. Percezione visiva................................................. 2.3. I vantaggi dei diversi tipi di lampade................ 2.4. Smaltimento delle lampade usate...................... 2.5. Il quadro legislativo per l’illuminazione........... 2.6. Nuove tecnologie................................................ 3. LED E APPARECCHI A LED.......................................... 3.1. Principio di funzionamento............................... 3.2. Struttura, tecnologie e materiali utilizzati......... 3.3. Tipologie di LED e loro applicazioni.................. 3.4. Caratteristiche ottiche ed elettriche dei LED..... 3.5. Alimentazione, driving e gestione...................... 3.6. Il retrofitting........................................................

3 11 11 16 17 19 28 38 41 51 55 55 58 62 72 77 83 97 98 107 113 119 134 156

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4. Aspetti energetici ed economici degli impianti a led........................................................... 4.1. Confronto con altre tecnologie d’illuminazione.. 4.2. Calcolo dei costi................................................... 4.3. Potenzialità e criticità della tecnologia a LED... 4.4. Lettura dei dati fotometrici e progettazione..... 5. certificazioni, SICUREZZA e standard di qualità....................................................................... 5.1. Gli standard internazionali ed europei.............. 5.2. Direttive europee................................................ 5.3. Standard statunitensi.......................................... 5.4. Test attualmente disponibili a livello globale.... 5.5. Criticità e importanza dello sviluppo di standard internazionali...................................... 5.6. Simulazioni ed esempi applicativi..................... 6. COME SCEGLIERE I LED PER USO DOMESTICO.......... 6.1. Caratteristiche strutturali, tecnologiche e prestazionali....................................................... 6.2. Vantaggi e svantaggi dell’uso dei LED............... 6.3. Progettazione illuminotecnica........................... 6.4. Quale LED scegliere............................................ 6.5. L’alimentatore per LED...................................... 6.6. Lampadine a LED in commercio........................ 6.7. Informazioni di prodotto sull’imballaggio........ BIBLIOGRAFIA.................................................................. SITOGRAFIA......................................................................

163 163 168 174 178 186 187 203 207 215 223 229 262 262 269 273 280 289 292 294 299 301

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BIBLIOGRAFIA Antoniadis H. Ph. D, “Overview of OLED Display technology”, OSRAM, 2003 Bergamaschi L. , “L’illuminazione stradale e funzionale a LED”, RUUD Lighting Europe, ottobre 2011 Coyne S., “LED testing - methods”, presentato al “Light Naturally”, Lites.asia, Sydney, 6 giugno 2011 Davis W. , “Color Quality Scale (CQS): Measuring the color quality of light sources”, NIST , 2010 Edison Investment Research, “LED spotlight: Technology sector”, 19 giugno 2013 ENEA, opuscolo “L’etichetta energetica”, 2013 EMC ADCO, “Final report on the 4th joint cross-border EMC market surveillance campaign - LED lighting products”, 2011 Frost&Sullivan, “The LED Revolution and Key Opportunities for Lighting Companies in the Global Market”, August 2011 Global Light Association, “Global LED Market Overview and Forecast”, Atti di convegno “Taiwan International Lighting Show – International Forum “, 13 marzo 2012 299

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Global Light Association, “The Issues and Opportunities of the Development of International Standards and Regulations in Lighting”, Atti di convegno CIE - Taiwan Annual Meeting, Taipei, 14 marzo 2012 Gudese R., “OLED: una tecnologia che si sta consolidando”, Atti di convegno “Lumen Fortronic”, VELCO 23 maggio 2013 Gugliermetti F., Bisegna F., Barbalace M., “Stato dell’arte dei LED (Light Emitting Diodes)”, ENEA e Sapienza - Università di Roma, 2011 McKinsey&Company, “Lighting the Way: Perspectives on the global lighting market”, July 2011 Oleari Claudio, “Spazio del colore, diagrammi di cromaticità e problemi di non uniformità di scala”, articolo pubblicato su “notizienostre” n.154, 31-36 (1996) Rusnati F. , “LED usati nell’illuminazione”, ASSIL (Associazione nazionale produttori illuminazione), 2012 Regione Piemonte, “Efficienza energetica nelle stazioni di servizio”, Torino, 21 marzo 2013 Seraceni M., “Illuminazione stradale a LED”, 2011

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SITOGRAFIA www.dailyenmoveme.com http://div2.cie.co.at www.eurotopten.it www.iesanz.org www.imq.it www.lampadinagiusta.it www.ledbenchmark.com www.lednews.org * www.lightingfacts.com www.mit.gov.it ** www.premiumlight.eu www.rpi.edu www.senato.it *** *informazioni sulle ultime novità tecnologiche nel campo dei LED **informazioni tecniche sull’impianto di illuminazione del porto di Oristano *** Legislatura 16, Risposta ad interrogazione scritta n° 4-04088 [sull’utilizzo della tecnologia LED e il rischio fotobiologico]

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Il LED è davvero destinato a sostituire tutte le tecnologie di illuminazione

attualmente

esistenti?

Quale

sarà

l’impatto

dell’illuminazione sulla nostra vita futura? Partendo

un’attenta

analisi

del

complesso

mercato

dell’illuminazione globale, il presente manuale scioglie tutto il confuso groviglio di informazioni attualmente disponibili sui Light emitting diodes e, pagina dopo pagina, ne tesse una trama ordinata e precisa: da un approfondito confronto tra i LED e le tecnologie di illuminazione attualmente disponibili alla normativa tecnica, passando per l’analisi delle strategie di mercato, dei costi e delle aziende del settore, viene tracciato un vero e proprio percorso multidisciplinare, con accenni ad argomenti di ottica, chimica, economia e persino biologia e psicologia; tutto è descritto con un linguaggio divulgativo, mai eccessivamente tecnico, ed è inoltre arricchito con esempi numerici e casi studio reali, così da soddisfare gli interrogativi non soltanto degli addetti al settore, ma di chiunque sia curioso di capire ciò che sta per accadere nelle nostre case e nelle nostre città.