Efficienza luminosa

Efficienza luminosa

di Franco Musiari [ Assipe ]
Efficienza, potenza e costi dei LED ad alta luminosità hanno raggiunto livelli che li rendono una soluzione interessante in molte applicazioni illuminotecniche.
L’efficienza luminosa di una sorgente di luce è il rapporto tra il flusso luminoso emesso e la quantità di energia assorbita per emetterlo. Dimensionalmente è espresso in lumen/watt (lm/W). Il lumen, l’unità di misura del flusso luminoso, equivale al flusso luminoso rilevabile in un angolo solido di uno steradiante emesso in tutte le direzioni da una sorgente con intensità luminosa di 1 candela. (Lo steradiante – simbolo sr – è l’unità di misura del Sistema Internazionale per l’angolo solido ed è definito come "l’angolo solido sotteso, al centro di una sfera di raggio r, da una porzione della superficie della sfera avente area r2". Poiché l’area dell’intera sfera equivale a 4πr2, ne segue che l’angolo solido sotteso da tutta la sfera è pari a 4π sr). Va inoltre aggiunto che 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 radiazione 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.
Alla loro nascita all’inizio degli anni novanta – vedi grafico di figura 1 – l’efficienza

luminosa dei LED era a livelli comparabili a quelli delle lampadine a bulbo ma, soprattutto, la potenza luminosa che erano in gradi di emettere era di pochi milliwatt. Per questo erano utilizzabili unicamente quali indicatori e spie in piccoli sistemi di indicazione luminosa.
La tecnologia da allora ha fatto passi da gigante sia sul fronte della potenza emessa – oggi sono disponibili LED ad alta potenza (HPLED – High Power LED) con potenze di 1, 3 ed anche 5 Watt ma soprattutto con efficienze pari a dieci volte quelle delle normali lampadine a filamento di tungsteno. Come mostra il grafico appena richiamato sono ormai disponibili commercialmente HPLED con efficienza luminosa tra 80 e 100 lm/W e i laboratori hanno già sfornato componenti tra i 150 e 160 lm/w che arriveranno in produzione nel giro di uno o due anni.
Se prendiamo in considerazione una lampadina tradizionale da 60 Watt con una efficienza di 15 lm/W ricaviamo una sorgente luminosa di 60 • 15 = 900 lumen. se ipotizziamo l’uso di HPLED da 3 Watt con una efficienza luminosa di 100 lm/W possiamo ottenere la stessa capacità luminosa impiegando 3 di questi LED ( 3 • 3 • 100 = 900 lm) ma impiegando una potenza totale di 9 Watt contro i 60 della lampadina. Un risparmio dell’85%!
Nella tavola ci comparazione delle diverse tecnologie viene fatta una analisi più precisa dei diversi sistemi di illuminazione prendendo in considerazione tutta la catena del sistema che porta alla resa luminosa finale.
• Efficienza della sorgente (lm/W) – prende in considerazione la resa effettiva della tecnologia secondo i parametri e le definizioni di apertura.
• Efficienza della sorgente elettrica (%) – definisce le eventuali perdite per adattare la sorgente elettrica standard (220 V AC) alla tecnologia considerata. Per esempio per le lampade tradizionali a filamento la connessione alla rete elettrica avviene senza alcuna interposizione di adattamento. Questo non succede per altre tecnologie come le lampade fluorescenti che necessitano di un ballast che ha un rendimento energetico del 60-70%. Un inverter per le fluorescenti compatte ha rese dell’80-90% mentre si può ipotizzare che un convertitore AC/DC per i LED possa attestarsi su livelli superiori all’80%.
• Efficienza del corpo radiante (%) – Tipicamente alle lampade viene associato un sistema che permette di riorientare il fascio luminoso nella direzione desiderata. Anche questo corpo radiante ha un suo proprio rendimento stimato nella fascia 30-50% per i sistemi luminosi che fanno uso di lampadine che irraggiano in quasi tutte le direzioni mentre si ipotizza un rendimento del 95% per i LED essendo il fascio generato molto direzionale già al punto di emissione.
• Efficienza totale (lm/W) – moltiplicando tutti i coefficienti visti precedentemente – per alcuni sono stati ovviamente presi dei valori medio-medio/alti si ottiene l’efficienza totale del sistema luminoso considerato e si ricava quanti lumen è possibile ottenere per ogni Watt fornito al sistema stesso.
Si vede come nella catena totale le lampade a filamento, con una resa di 7 lm/W, siano in assoluto le più inefficienti contro 38 lm/W che è il punteggio ottenuto dagli HPLED.
Si può infine valutare il consumo che ognuna delle soluzioni genera al fine di ottenere una sorgente luminosa pari ad 800 lumen: 114 Watt per le vecchie lampadine, 10,5 Watt per i LED – un risparmio energetico del 90%!
Senza contare un altro parametro fondamentale: la vita, ovvero la durata in efficienza della sorgente presa in esame riportato nell’ultima riga della tavola comparativa. Ipotizzare 25.000 ore di operatività per i LED non è un azzardo, se la gestione del calore generato viene svolta opportunamente. Tempo che, se si suppone un uso medio del sistema per 6 ore al giorno, supera gli 11 anni di operatività.

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