Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio ... · Ridotta dissipazione del calore...

SARA PADOVANI

Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico

Centro Ricerche Plast-optica S.p.A.

30 Gennaio 2015

2 Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico

■ 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 globale

Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico 3

Ogni anno per l'illuminazione vengono consumati 2650

TWh, il 20% circa della produzione globale di energia elettrica

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 2005.

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).

Introduzione

sorgenti LED

Spesa energetica italiana 2025

8%ILLUMINAZIONERISPARMIO

Spesa energetica italiana 2005

- 330 TWh -

ILLUMINAZION

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

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

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.

Materiali utilizzati per la produzione di sorgenti LED

AlInGaP AlInGaN

Rossi-gialli LED

Verdi-blu

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"

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

richiedono alimentazione e controllo

elettronico per ciascun LED

richiedono stabilità e affidabilità

confrontabili per ciascun LED

hanno minore efficienza (LED verdi)

Singola alimentazione

Maggior efficienza energetica

Possibilità comunque di creare LED a

differente temperatura di colore

Akasaki, Amano e Nakamura – contributo allo sviluppo di sorgenti LED blu e bianche

NOBEL LECTURE IN PHYSICS di Nakamura

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)

LED e Package

Dimensioni:

0,2 -1 mm

LED chip LED in package

Package di un LED bianco

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.

Riflettore

Fosfori gialli

AnodoCatodo

LED chip

(semiconduttore)Uno o più chip per sorgente

2-20mm

Substrato

Riflettore

Fosfori gialli

AnodoCatodo

LED chip

2-20mm

Substrato

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).

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.

I generazione II generazione III generazione

Riflettore

Fosfori gialli

AnodoCatodo

LED chip

2-20mm

Substrato

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.

Fosfori in film sottile Fosfori remoti Fosfori in polimero

Vantaggi sorgenti LED vs sorgenti tradizionali

Economicità

Maggiore efficienza luminosa (150lm/W e 200 lm/W in laboratorio)

Tempi di vita significativamente maggiori: 50.000 - 100.000 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

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

Tempi di vita

Illuminazione a LED: realizzazione funzionale e risparmio energetico October 1st, 2014 19

Il tempo di vita della

sorgenti LED è

nettamente superiore

a qualsiasi altra

tipologia di lampada.

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%.

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”

Pay back time – applicazioni navali

Sostituzione di ALAGENA con faretto

0 1 2 3 4 5Anno

Costo cumulativo ALOGENA 20W

Costo cumulativo Faretto LED 7W

Risparmio cumulativo creato

Dispositivi di illuminazione a LED

LED chip LED in package Dispositivo di

illuminazione a LED

Dispositivi di illuminazione a LED

Efficienza di sistema

= efficienza del elettronica di controllo X efficienza ottica X

efficienza termica X efficienza luminosa del LED

DISSIPATORE

HOUSING

CIRCUITO STAMPATO

SORGENTI LED

OTTICHE

Eventuali diffusori

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.

Simulazione ottica (ray-tracing)

Studio ottico e meccanico su CAD

Prototipazione e verifica

Progetto elettronico

e calcolo termico

Simulazione processo di stampaggio

Analisi di dati e requisiti di base da cliente

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.

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

Collimatore TIR Principio di funzionamento

di un collimatore TIR CPC

Sorgente

Ottiche a geometria complessa

• 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

Analisi Risultati Creazione del

modello ottico Ray Tracing

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.

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.

TRASPARENTI

1. PMMA (polimetilmetacrilati)

2. PC (policarbonati)

3. COC (ciclo-olefine)

Realizzazione componenti ottici – materiali

NON TRASPARENTI PER

APPLICAZIONI IN

RIFLESSIONE (con

metallizzazione superfici)

1. ABS

(acrilonitilbutadienstirene)

2. Blend PC/ABS

Progettazione elettronica

Controllo

Microcontrollore

Driver switching di

potenza

Sensoristica:

• sensore colore

• sensore movimento

Scheda con sorgenti

LED ed elettronica di

contollo integrata

Interfacce di

comunicazione • Wireless

• Power Line Comunication

Variazione Intensità

Variazione tonalità

Sensore

colore/luminosità Sensore movimento

Dimeraggio PWM

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

Conduzione termica

Progettazione termica

1. Modello CAD

2. Preparazopn Mesh FEM (elementi finiti)

3. Impostazione modello fisico

4. Simulazione

5. Analisi die risultati

Accuratezza (+/- 3°C)

Mercato generale dell’illuminazione

Mercato dell’illuminazione a LED

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

Industriale

- Intelligenza con sensoristica integrabile on board che

consente ottimizzazione del confort e la riduzione dei

consumi

Edifici (architectural)

China • Sheraton Huzhou Hot Spring Resort Munich• Allianz Arena

Retrofitting

- Intelligenza con sensoristica integrabile on board che

consente ottimizzazione del confort e la riduzione dei

consumi

Illuminazione stradale (outdoor)

- Maggiore efficienza e durata di lampade al sodio

- Drastica riduzione dell’inquinamento luminoso per

possibilità di indirizzare il fascio al suolo mediante

ottiche dedicate

- Maggiore resa cromatica di lampade al sodio

Illuminazione stradale (outdoor)

Domotica e luci emergenza

Mercato del LED

Automotive

Demand

Rear Combination

Light (RCL) & Center

High-Mounted Stop

Lamp (CHMSL)

Interior lighting

2008 Head Up

Display

Infrared distance

control

Infrared night-

vision system

Ambient

lighting

Automotive: fanali e proiettori

Difficoltà

Time to market

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.

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.

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.

Il futuro

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