LED e vecchie lampadine: il risparmio energetico

Risparmio energetico

Realizzato da:

Nicola Ripiccini

Classe 5 BE 2010-2011

Indice

• Introduzione al LED pagina 1
• LED nell'illuminazione e vantaggi pagina 2
• Svantaggi LED pagina 4
• Età giolittiana pagina 5
• Società per azioni (S.P.A) pagina 8
• Sistema di acquisizione ed elaborazione dati pagina 11
• Italo Svevo pagina 14
• LED (Light Emitting Diode) pagina 18
• Bibliografia pagina 19

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Introduzione al LED

LED è l'acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa).

Il primo LED è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr.

Si tratta di un dispositivo optoelettronico che sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per produrre fotoni attraverso il fenomeno dell'emissione spontanea ovvero a partire dalla ricombinazione di coppie elettrone-lacuna.

Storia del LED

I primi L.E.D. erano disponibili solo nel colore rosso. Venivano utilizzati come indicatori nei circuiti elettronici, nei display a sette segmenti e negli optoisolatori. Successivamente vennero sviluppati LED che emettevano luce gialla e verde e vennero realizzati dispositivi che integravano due LED, generalmente uno rosso e uno verde, nello stesso contenitore permettendo di visualizzare quattro stati (spento, verde, rosso, verde+rosso=giallo) con lo stesso dispositivo.

Negli anni novanta vennero realizzati LED con efficienza sempre più alta e in una gamma di colori sempre maggiore fino a quando con la realizzazione di LED a luce blu fu possibile realizzare dispositivi che, integrando tre LED (uno rosso, uno verde e uno blu), potevano generare qualsiasi colore, parallelamente, la quantità di luce emessa, competitiva con le comuni lampadine, porta a prevedere nell'arco del tempo, un impiego generalizzato in tutti i campi.

Funzionamento

I LED sono un particolare tipo di diodi a giunzione p-n, formati da un sottile strato di materiale metallico non drogato. Gli elettroni e le lacune vengono espulsi dalla zona di ricombinazione attraverso una regione del diodo drogata con impurità multiple, e cioè per metà di tipo n e per metà di tipo p.

Quando sono sottoposti ad una tensione diretta per ridurre la barriera di potenziale della giunzione, gli elettroni della banda di conduzione del semiconduttore si ricombinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sufficiente sotto forma di fotoni. A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce ovvero fotoni ottici. Può essere visto quindi anche come un trasduttore elettro-ottico.

Il colore o frequenza della radiazione emessa è definito dall'intensità con cui gli elettroni colpiscono i nuclei e corrisponde tipicamente al valore della banda proibita del semiconduttore in questione.

L'esatta scelta dei semiconduttori determina dunque l'intensità dell'emissione di picco dei fotoni, l'efficienza nella conversione termica e quindi la frequenza della tensione in uscita.

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LED nell'illuminazione

La tecnologia LED rappresenta l'evoluzione dell'illuminazione allo stato solido, in cui la generazione della luce è ottenuta mediante semiconduttori anziché utilizzando un filamento o un gas. L'illuminazione LED è più efficiente dal punto di vista energetico, ha una durata maggiore ed è più sostenibile. Inoltre consente innovative e creative soluzioni di utilizzo che integrano la luce nelle nostre case, nelle automobili, nei negozi e nelle città. I LED sono destinati, nel tempo, a sostituire via via le lampade tradizionali ad incandescenza e le lampade a fluorescenza.

I vantaggi del LED

Risparmio energetico

Confrontato con fonti di illuminazione tradizionali il risparmio ottenuto utilizzando l'illuminazione a LED è di circa il:

• 93% rispetto alle lampade ad incandescenza
• 90% rispetto alle lampada alogene
• 70% rispetto alle lampade a ioduri metallici
• 66% rispetto alle lampade fluorescenti.

Nel peggior confronto possibile, ossia con le lampade a scarica (quelle usate per le illuminazioni pubbliche e negli impianti sportivi), il rapporto è di circa 1/3. In pratica a fronte di un consumo ipotetico di 30W, a parità di illuminazione, il led consumerà solo 10W.

Confrontato con le lampade a filamento il rapporto sale a 1/10, ossia a fronte di un consumo ipotetico di 100W il led consumerà solo 10W.

Durata

I LED mantengono il 70% dell'emissione luminosa iniziale ancora dopo 50.000 ore.

Con ciò non è detto che bisogna necessariamente sostituirli dopo tale periodo, se tale riduzione non crea eccessivi fastidi si possono tranquillamente utilizzare fino alla completa perdita di luminosità, stimata in circa 100.000 ore.

Confrontando la durata dei led rispetto alle lampade tradizionali si nota che:

La vita media:

• Di una lampadina a filamento è di circa 1000/1500 ore
• Di una lampada a scarica è di 4.000 ore circa
• Di una lampada fluorescente è di 6.000 ore.

Ipotizzando un utilizzo medio giornaliero di otto ore, la lampada a LED durerà circa 17 anni.

Alta efficienza luminosa

L'efficienza luminosa di una sorgente di luce è il rapporto tra il flusso luminoso e la potenza in ingresso. Dimensionalmente è espressa in lumen/watt.

Il flusso luminoso è definito in base alla percezione soggettiva dell'occhio umano medio e corrisponde ad una particolare curva all'interno dello spettro della luce visibile.

Una lampadina emette radiazioni anche al di fuori della banda visibile, in genere nell'infrarosso e nell'ultravioletto, che non contribuiscono alla sensazione di luminosità.

Una lampada ha una maggiore efficienza luminosa quanto più è in grado di emettere uno spettro adatto alla percezione umana.

Attualmente i led hanno un efficienza luminosa fino a 120 lm/W, rispetto ai:

• 13 lm/W delle lampade ad incandescenza
• 16 lm/W per le alogene
• 50 lm/W per le fluorescenti.

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Non inquina e non contiene sostanze pericolose

Il led contiene polvere di silicio, non contiene gas nocivi alla salute e non ha sostanze tossiche, a differenza delle fluorescenti e delle lampade a scarica (alogenuri metallici e vapori di sodio).

Zero sono le emissioni di raggi U.V. che in via generale sono dannosi per l'uomo per lunghe esposizioni nel tempo.

Zero sono anche le emissioni di raggi I.R., (rilasciate sotto forma di calore nelle lampadine ad incandescenza) dannosi per gli occhi per esposizioni dirette.

Tali emissioni sono molto dannose anche per il commercio del tessile e del pellame, materiali questi molto sensibili ai raggi U.V. Perdita di brillantezza dei colori e sclerotizzazione dei materiali, in particolare quelli naturali e quindi più pregiati, sono spesso l'inevitabile conseguenza di una lunga esposizione alla luce artificiale: un motivo in più per utilizzare i Led nell'illuminazione dei locali commerciali.

I LED non emettono luce calda

I LED generano calore, ma lo trattengono al loro interno, difatti l'involucro è in grado di controllare il calore generato e di smaltirlo verso dissipatori esterni. La potenza usata viene così impiegata al meglio per l'illuminazione, ottimizzando l'efficienza.

Tali dispositivi possono quindi essere installati a contatto con legno, plastica, e tutti quei materiali che temono l'eccessivo calore.

Da ciò se ne trae anche un risparmio energetico nel climatizzare un ambiente molto illuminato, in quanto una lampada ad incandescenza o alogena produce una notevole quantità di calore disperso nell'ambiente e di solito quando si eseguono i calcoli per la progettazione di un impianto di climatizzazione viene considerata come una una fonte di calore da abbattere di circa 75 W.

L'equivalente fonte di luce, ma a LED, viene valutata con margine ridondante a circa 15 W.

Di conseguenza la potenza da utilizzare per il raffreddamento dell'ambiente, ed il relativo costo, saranno notevolmente ridotti.

Assenza di manutenzione

I costi di manutenzione degli apparati di illuminazione a LED sono stimati nell'ordine di un centesimo rispetto agli impianti al sodio attualmente in uso, quindi praticamente nulli.

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Tonalità della luce (temperatura di colore)

Il grande vantaggio dei LED è la possibilità di avere svariate tonalità, da 2800K a 7000K, quindi in grado di soddisfare qualsiasi esigenza di luce.

Scala temperatura di colore

Definizione delle temperature di colore maggiormente utilizzate dai LED in illuminotecnica.

• Bianco caldo tra i 3000 e i 3500 K,
• Bianco neutro tra i 3500 e i 4500 K,
• Bianco freddo tra i 4500 e i 7000 K.

Lux

Il lux (simbolo lx) è l'unità di misura per l'illuminamento del Sistema Internazionale. Un lux è pari a un lumen fratto un metro quadrato.

Lumen

Il lumen, in sigla lm, è l'unità di misura del flusso luminoso.

Equivale al flusso luminoso rilevabile in un angolo solido di 1 steradiante (unità di misura per l'angolo solido, corrispondente tridimensionale del radiante) emesso da una sorgente isotropica (sorgente irradiante a 360°) con intensità luminosa di 1 candela. In sostanza si tratta della quantità di luce vera e propria emessa.

Differenza tra lux e lumen

Lux e lumen sono due diverse misure del flusso luminoso, ma mentre il lumen è una misura della "quantità di luce" su una porzione di sfera (incentrata sulla sorgente), il lux è una misura relativa all'area piana tangente la porzione sferica. 1 lumen su un'area di 1 m2 corrisponde ad 1 lux, mentre lo stesso lumen concentrato in 1 cm2 corrisponde a 10000 lux.

Svantaggi del LED

Il Led pur essendo un ottimo componente, presenta però alcuni svantaggi, alcuni dei quali non sono nemmeno molto rilevanti però è bene elencarli.

Il problema principale del LED (o meglio di alcuni LED) è quello di avere una certa direttività nell'emissione della luce, ciò ne consegue che la superficie illuminata non sarà molto ampia.

Onde evitare a ciò sono state studiate delle apposite lenti che permettono di ampliare il raggio di illuminazione.

Ed inoltre parlando di lampade a LED uno “svantaggio” iniziale è senza dubbio l'elevato costo, che viene poi in seguito ripagato dalla lunghissima durata che assicurano tali lampadine.

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Età giolittiana

La situazione in Italia alla fine dell'Ottocento presenta un'Italia arretrata, sia sul piano sociale che su quello economico, e vive questo periodo come la sua Prima rivoluzione industriale, già superata dalle grandi potenze europee.

Alla fine del secolo il Paese è guidato dalla Sinistra storica che, dopo il governo Crispi, trova il suo rappresentante in Giovanni Giolitti. I due presentano un diverso modo di condurre lo Stato: il governo di Giolitti, infatti, non può essere considerato autoritario come quello di Crispi che, pur approvando leggi progressiste come la legge Zanardelli, non esita a reprimere le rivolte nel sangue. Giolitti entra nella scena politica italiana nel febbraio del 1901, quando Zanardelli viene messo dal re Vittorio Emanuele II a capo dell'esecutivo, ricevendo l'appoggio compatto delle sinistre (per la prima volta nella storia italiana). Giolitti era allora responsabile degli Interni.

Nel 1903 Giolitti subentrò a Zanardelli alla guida dell'esecutivo e, fu presidente del consiglio fino al 1914.

Dopo una lunga depressione del 1873 1896 si assistette ad una rapida ripresa dell'economia italiana. Si inaugurò così una nuova fase di sviluppo industriale che rafforzò i settori tradizionali, e diede luogo anche ad un'accelerazione e diversificazione delle attività produttive.

• Nelle regioni settentrionali si registrava una forte evoluzione dell'agricoltura (in senso capitalistico)
• Nelle regioni centrali iniziava una prima diffusione manifatturiera.