Quanto può essere intelligente il nostro sistema di LED lighting? Noi sappiamo che mantiene le promesse di riduzione negli ambiti dei costi e dei consumi energetici, ma il progetto di un sistema intelligente che migliori le prestazioni in entrambi, serve a garantire risultati consistenti sul lungo periodo.
INTRODUZIONE
La misurazione dell’energia, la rilevazione della luce ambientale ed anche la comunicazione rappresentano le vere e proprie pietre angolari di un progetto di sistemi intelligenti. Questo soprattutto perché la misurazione dell’energia, per esempio, restituisce informazioni sullo stato di salute del sistema. La rilevazione della luce ambientale può garantire che l’impianto venga acceso solo quando serve, rendendo il sistema capace di fare risparmiare risorse e aumentando la durata delle sorgenti luminose. Le comunicazioni sono estremamente utili, anche solo intuitivamente, dal momento che permettono di creare dei ponti tra i vari punti luce o tra i sistemi di illuminazione per identificare e mantenere il miglior livello funzionale. Queste caratteristiche non sono soltanto le migliori alle quali possiamo pensare al momento, ma rappresentano frontiere che, almeno in parte, sono ancora da esplorare.
Per comprendere al meglio gli aspetti di questa materia bisogna immaginare di trovarsi ad una maratona in un giorno in cui fa molto caldo, dove l’atmosfera è polverosa e le condizioni sono davvero avverse; in questo scenario, risparmiare le proprie energie e utilizzarle al meglio è la scelta vincente. Anche se la gara è soltanto a metà, il vincitore appare certo. Questo atleta risplende più degli altri. A dispetto del caldo e della competizione, rimane freddo e concentrato. Fin qui, tutto bene. Sarà in grado, tuttavia, di mantenere ritmi e posizione anche nella seconda metà della gara? In un mondo di innumerevoli atleti che si allenano e competono con intelligenza, talento e potenziale hanno dei limiti. Un grande potenziale, se sprecato, inficia le possibilità di raggiungere il successo. Sarà in grado, dalla sua posizione preminente, di andare in profondità, correre con sempre più tecnica, rispondere alle situazioni e non deludere le aspettative? Soltanto il tempo (e l’intelligenza) potranno dirlo. Cosa c’entra tutto questo con l’illuminazione e con i LED?
Anche se il paragone potrebbe sembrare azzardato, al primo impatto, oggi i LED rappresentano quel corridore. Mantengono la promessa del miglior risultato, corrono senza dubbio più velocemente di tutti gli altri, si sono già dimostrati superiori a qualunque altra tecnica impiegata in precedenza nel campo dell’illuminazione. Tuttavia, la loro “gara” non è che a metà, perchè l'ottimizzazione dei sistemi che li gestiscono è ancora ben lungi dall'essere perfetta. Una vera e propria maratona tecnologica che ha lo scopo di rendere più intelligenti e più efficienti sia dal punto di vista energetico sia dal punto di vista dei costi tutti i sistemi di illuminazione. E' stato stimato che nel 2010 il 19% dell'elettricità prodotta negli Stati Uniti sia stata consumata allo scopo di illuminare. Una stima sul futuro indica che nel 2030 l'illuminazione consumerà addirittura 767 TWh all’anno di energia. Sono cifre da capogiro.
Cifre che un vero maratoneta del settore non può ignorare e che rappresentano una vera sfida. In particolare, i LED sembrano i candidati perfetti per ridurre del 25% questa stima. E come se non bastasse, i LED si dimostrano promettenti anche dal punto di vista dello smaltimento e dei rifiuti. Sì perché la loro durata è stimata, anche sulla scorta dei dati più recenti, cinque volte quanto quella dei sistemi di illuminazione dei quali adesso disponiamo. Minore quantità di rifiuti, minor inquinamento. Uno degli aspetti più stimolanti di questa tecnologia, che influenza sia l’architettura sia il design, è che questi sistemi possono essere modificati con “fine-tune” dal punto di vista del colore, della forma, ottenendo combinazioni che danno sfogo alla creatività e che permettono di esaltare aspetti architettonici anche già noti, ma in modo completamente diverso.
L’INTELLIGENZA
Il panorama è chiaro. Le possibilità sono interessanti. Ma che cosa significa "aggiungere intelligenza” a questi sistemi? L’enorme potenziale che dimostrano non può in realtà essere raggiunto senza che vengano ottimizzati. Consumano di meno, è vero, ma tutti noi ormai conosciamo i sensori crepuscolari. Più è grande un giardino, per esempio, più è utile pensare ad implementare delle soluzioni con timer, interruttori crepuscolari, sensori di umidità per l’innaffiamento e via dicendo. L’elettronica oggi serve ad ottimizzare i costi e i LED hanno bisogno di sistemi come questi. Soprattutto perché, oggi, queste possibilità di sviluppo sono dei campi aperti, sui quali si può discutere ancora. Un altro fattore fondamentale quando si valuta un sistema è la reperibilità, perché è da essa che discendono, agli occhi degli utenti, sia la durata nel tempo sia l’affidabilità.
Ecco, se uscissimo di casa e andassimo in tanti negozi di elettronica probabilmente non riusciremmo a trovare la stessa lampada a LED, anche se le lampade non mancherebbero di certo. Questo può dipendere anche dal fatto che molti rivenditori non fanno magazzino, allo scopo di avvicinare clienti differenziati piuttosto che fidelizzarne un certo numero. Cosa c’entra tutto questo con i creativi, con gli ingegneri, con i progettisti? In che modo si inseriscono queste figure professionali in questo panorama? Cosa possono fare per aiutare i LED a vincere questa maratona? Per l’appunto, renderli intelligenti. Bisogna dotarli di interfacce che li rendano capaci di interagire con gli utenti rispondendo a stimoli ma anche di interagire con l’ambiente circostante per cui bisogna dar loro “occhi,” “bocca”, l’abilità di contare e così via dicendo. In questa maniera quello che andremo a progettare saranno semiconduttori di alto valore impiegati all’interno di applicazioni per l’illuminazione che utilizzeranno il sistema così come lo conosciamo oggi.
GLI ELEMENTI ESSENZIALI
Rilevazione ambientale, comunicazione, misura dell’energia consumata ed altre funzioni rappresentano i blocchi funzionali essenziali per l’evoluzione di cui stiamo parlando. La rilevazione della luce ambientale permette di modulare l’intensità richiesta quando ci sono altre sorgenti che illuminano già a sufficienza l’intero ambiente. Inoltre, i sensori possono rilevare il colore della luce all’interno dell’ambiente stesso; questo non è un fatto da sottovalutare perché ci sono diversi ambienti, quello ospedaliero per esempio, che richiedono anche una certa temperatura di colore. Utilizzando LED RGB come sorgenti luminose è possibile immaginare di effettuare una modulazione fine del colore.
Per quanto riguarda le comunicazioni, invece, la funzione più utile è quella di controllo remoto oltre alla centralizzazione della rete di sistemi di illuminazione in aree che siano anche di grandi dimensioni. La misura dell’energia consumata deve essere precisa e soprattutto deve essere molto ben caratterizzata nell’arco della giornata, perché in questo caso è possibile ottimizzare i consumi, valutare l’impiego di nuove caratteristiche o eventualmente l’espansione del sistema e via dicendo. Tutte queste caratteristiche si traducono effettivamente in una diminuzione d’energia consumata.
Un sensore di luce ambientale, il cui acronimo è ALS (Ambient Light Sensor), rileva la quantità di luce presente nelle sue immediate vicinanze. Si tratta di un dispositivo semplice che di fatto, però, rappresenta l’occhio del sistema. Quando c’è luce a sufficienza, l’illuminazione artificiale non è indispensabile. Le lampade o le piantane possono essere spente oppure si può effettuare un’azione di regolazione dell’intensità luminosa. Tra le caratteristiche fondamentali di un ALS ci sono il consumo di corrente, l’intervallo di intensità luminosa o “lux range”, l’insensibilità alle radiazioni infrarosse ed ultraviolette. Questo tipo di sensori deve, peraltro, consumare molto poco perché altrimenti inciderebbe negativamente sulla resa complessiva del sistema. Quando diciamo “molto poco” stiamo parlando di correnti dell’ordine dei μA. Il lux range, invece, deve essere compreso tra 0,1 l e 100.000 l; in questo modo, la stragrande maggioranza delle applicazioni sarà coperta.
LA RILEVAZIONE
Quella che abbiamo visto in Figura 1 rappresenta la soluzione per l’inserimento di un ALS all’interno di un sistema di illuminazione. La posizione del sensore è fondamentale perché il fatto che si trovi al di sotto della sorgente luminosa garantisce che il valore di luminosità rilevato non sia influenzato dalla sorgente stessa. In altre parole, non c’è rumore ma solo segnale.
Figura 1: Sistema di illuminazione con ALS
LE COMUNICAZIONI
Occhi ed orecchie, ecco tutto quello che serve. E questo potrebbe anche garantire ritorni in tempo reale, informazioni sullo stato di salute del sistema e così via. Non c’è vincolo sul fatto che le comunicazioni debbano necessariamente essere con o senza filo. Gran parte di queste scelte viene fatta sulla base della specifica applicazione e della specifica realizzazione. Tutto dipende dalla geografia e dalla topologia della rete. È ovvio che se ci troviamo in reti domestiche, magari di piccole dimensioni, pensare a comunicazioni senza filo è più semplice. Le soluzioni PLC, PowerLine Communication, si possono utilizzare su strutture cablate preesistenti e funzionano davvero molto bene quando ci sono più installazioni di grandi dimensioni, per esempio cittadine. Vale anche per aree di parcheggio, gallerie e in tutte quelle situazioni in cui non è possibile che ci sia illuminazione naturale per via dei limiti geografici oppure artificiali. Si può pensare ad applicazioni wireless che utilizzino reti Wi-Fi, Zigbee oppure altri standard proprietari. Tutto sempre nel rispetto del criterio fondamentale: la riduzione del consumo di energia. Nella Figura 2 quello che vediamo non è altro che il principio di funzionamento di un sistema di automazione senza fili che serve all’accensione di una lampada. La comunicazione avviene ad onde radio al di sotto del gigahertz.
Figura 2: Accensione con sistema senza fili
Soprattutto se la distanza è breve, l’interruttore può essere posto dovunque all’interno della stanza, il che vuol dire che la fonte luminosa può essere posta nella posizione ottimale per ottenere la migliore illuminazione. Senza la necessità di un collegamento via cavo, le tracce entro muro diventano inutili e i costi dell’installazione diminuiscono sensibilmente. I costi dei sistemi PLC per utilizzo di questo tipo sono piuttosto contenuti, dal momento che, come dicevamo, le infrastrutture sono già presenti. Inoltre, queste soluzioni eliminano ogni necessità di preoccuparsi della condivisione delle bande, delle prestazioni in condizioni meteorologiche avverse, della manutenzione della rete, perché le comunicazioni avvengono attraverso sistemi che sono già mantenuti da altri e la cui affidabilità non può essere in alcun modo messa in dubbio se non in condizioni estreme. Restano, quindi, da dimensionare alcuni parametri tra cui portata e velocità. Non possiamo ignorare che in questo tipo di soluzioni c’è una grande quantità di rumore il che mina l’affidabilità del sistema. Le soluzioni sono svariate, OFDM-based e che sfruttano standard di comunicazione anche fino a 300 kbps. Nella Figura 3 troviamo un esempio di distribuzione, una soluzione “targata” Nyx Hemera Technologies che permette un risparmio del 25% del costo energetico ed una riduzione dei costi di manutenzione del 30%. Viene supportata addirittura una distanza di 3 km.
Figura 3: Esempio di rete di controllo con PLC su impianto pubblico
MISURARE L’ENERGIA
Eccoci, dunque, finalmente ad analizzare il consumo energetico. Ciascuna installazione, si tratti di smart grid, di semplici misuratori, controllori di tensione, oppure di stazioni di rifornimento per veicoli elettrici e così via, è in grado di fornire informazioni real-time. La capacità di auto-analisi offerta da questa tipologia di reti garantisce la proprietà di granularità sia per quanto riguarda gli edifici sia per l’illuminazione stradale. La variazione nel consumo di energia delle specifiche postazioni può rappresentare, per esempio, il segnale che è diventato necessario un intervento di riparazione o di mantenimento. Naturalmente, con più installazioni luminose localizzate in aree di difficile accesso, ottimizzare i costi di manutenzione serve a risparmiare denaro. L’alto livello di accuratezza delle informazioni è quello che serve a realizzare smart grid affidabili. Inoltre, limitare oppure eliminare del tutto i tempi di calibrazione è un altro fattore che può ridurre i costi. Nella Figura 4 osserviamo un esempio di un sistema che permette di realizzare tutte le funzioni di cui abbiamo parlato. E per il futuro?
Figura 4: Esempio di sistema intelligente di controllo LED, con tutte le funzioni descritte
DOVE CI PORTA TUTTO QUESTO?
Abbiamo iniziato questa trattazione sottolineando che non tutti questi traguardi sono già stati raggiunti, ed in effetti è proprio così, perché il miglioramento della situazione presente si basa sul fatto che ciascuna di queste caratteristiche possa essere integrata in maniera più semplice, costi di meno, sia integrata all’interno di un sistema funzionalmente completo e che tutto questo si diffonda in maniera capillare. D’altronde, per diversi decenni l’illuminazione è stata fatta con lampade ad incandescenza o a scarica in gas e pertanto anche la riconversione, non soltanto energetica, delle stesse aziende produttrici diventa un processo che richiede tempo, metodo e grandi investimenti. Ciò nondimeno, la domanda di riduzione del consumo energetico mondiale suggerisce che i LED siano effettivamente la possibilità concreta che già offre una prospettiva di risoluzione dei problemi che abbiamo citato. L’intelligenza, quel valore aggiunto, renderà certamente i LED dei “corridori eccellenti” che supereranno le barriere dei loro limiti facendo loro vincere le gare, a tutto vantaggio nostro, che avremo il privilegio di assistere a qualcosa di veramente entusiasmante.
