Smart Lighting, Optoelettronica e Quarta Rivoluzione Industriale

Optoelettronica e smart lighting al servizio delle smart city

Il seguente articolo tratta di smart lighting e di come la quarta rivoluzione industriale abbia favorito la nascita di nuove soluzioni per l'illuminotecnica. La combinazione di optoelettronica e IoT ha dato vita al concetto d'illuminazione adattiva: l'elevata efficienza dei LED, l'integrazione dei dispositivi optoelettronici ed elettronici in un unico sistema e la possibilità di razionalizzare i consumi, hanno portato al perfezionamento dell'illuminazione privata e pubblica. Gli impianti di illuminazione diventano "intelligenti" e rivestono un ruolo centrale nei progetti di smart city. I pali tecnologici, l'evoluzione dei lampioni tradizionali, sono multifunzionali: illuminano a seconda delle esigenze, producono energia fotovoltaica, raccolgono dati dall'ambiente e li trasmettono per innescare azioni automatiche al fine di fornire un'ampia rosa di servizi al cittadino, che spaziano dalla fruizione d'informazioni e servizi utili, al monitoraggio ambientale.

Introduzione

L'illuminotecnica sta subendo una trasformazione digitale, fenomeno che investe ogni ambito della nostra società modificandolo radicalmente. A mutare non sono soltanto i dispositivi tecnologici in uso, bensì i paradigmi e i concetti relativi all'illuminazione e le modalità di progettazione della luce negli spazi. Mutano le infrastrutture delle città, nascono i progetti di smart city e smart home di cui lo smart lighting diventa una colonna portante. Il cambiamento è dirompente e favorisce un'evoluzione concettuale e culturale, un passaggio da modi di fare ormai obsoleti a modi nuovi, capaci di tenere in considerazione una serie di problematiche che spaziano dal consumo energetico al miglioramento dell'esperienza utente.

Smart lighting e illuminazione adattiva

Alla base dei progetti di smart lighting vi è il concetto di illuminazione adattiva che prevede la possibilità di variare il consumo energetico relativo ai servizi d'illuminazione a seconda delle necessità dei singoli contesti.
Il concetto scaturisce dalla diffusione di LED sempre più efficienti e versatili e dalla nascita dei dispositivi IoT, dotati di intelligenza artificiale e gestibili da remoto (computer, dispositivi mobile). La combinazione di queste due tecnologie permette di ottimizzare la qualità dell’illuminazione e il relativo consumo sia a livello domestico, sia pubblico.

Con il termine "illuminazione intelligente" s'intende la capacità dei nuovi impianti di calibrare autonomamente i parametri illuminotecnici in base alle esigenze, seguendo la logica della razionalizzazione dei consumi.
L'utilizzo ponderato delle risorse di cui disponiamo e la riduzione dello spreco energetico sono tematiche di grande attualità a cui lo smart lighting offre una via risolutiva. Parzialmente automatizzati già da anni, gli impianti d'illuminazione consentono ora una gestione più precisa, ottimizzata e controllata grazie alla combinazione di dispositivi sempre più efficienti. Il cambiamento scaturisce dalla quarta rivoluzione industriale, la c.d. rivoluzione 4.0, le cui caratteristiche primarie contraddistinguono anche i nuovi sistemi di smart lighting, che entrano così a far parte della variegata famiglia dei device IoT:

digitalizzazione: gli impianti possono essere monitorati e gestiti da remoto tramite computer, dispositivi mobile, software e applicazioni dedicate
interconnessione dei device, integrazione dei sistemi: i device possono essere interconnessi e integrati in sistemi complessi; in questo modo possono trasferire e comunicare i dati raccolti dall'ambiente esterno agli altri dispositivi appartenenti al sistema
automazione: a seconda delle informazioni raccolte ed elaborate, si innescheranno specifiche azioni che gli impianti sono in grado di svolgere autonomamente grazie all'impiego dell'intelligenza artificiale
razionalizzazione: digitalizzare, interconnettere e automatizzare i device ha lo scopo di ottimizzare il consumo energetico, ridurre lo spreco e migliorare l'esperienza dell'individuo

Figura 1: l'interfaccia di un'app mobile per il controllo dell'intensità luminosa delle luci domestiche

Consideriamo gli impianti per l'illuminazione smart pubblica: non si compongono solo di LED, ma di altri tipi di tecnologie che vanno dai sensori integrati (per la raccolta di dati utili sull'ambiente esterno), ai pannelli fotovoltaici (per la fornitura di energia), a molti altri dispositivi elettronici. Dispositivi come LED e sensori ottici, capaci di convertire segnali elettrici in segnali ottici e viceversa, appartengono all'optoelettronica, disciplina protagonista dello smart lighting e di molte altre indagini scientifiche.

Dispositivi optoelettronici per lo smart lighting

Definita come tecnologia del futuro, l'optoelettronica apre gli orizzonti verso una pluralità di soluzioni applicabili ai più disparati ambiti della società (industriale, medico, automotive, telecomunicazioni, pubblico, domestico, etc.).
Grazie al suo carattere versatile permette di sfruttare gli effetti esercitati dalla luce sui materiali semiconduttori in presenza di campi elettromagnetici per la realizzazione di un gran numero di dispositivi: pannelli fotovoltaici, fibre ottiche, schermi del computer, della TV o dei telefoni, moduli laser, videocamere ad alta risoluzione e molto altro.
L'optoelettronica è una disciplina pervasiva che sta divenendo sempre più fondamentale in ambito elettronico grazie alle sue peculiarità:

maggiore velocità
maggiore efficienza
minor consumo energetico
alto livello di integrazione con altri dispositivi optoelettronici ed elettronici

L'evoluzione dei LED

Con la diffusione e il continuo miglioramento dei LED (Light Emitting Diode), sono mutate molte cose in ambito d'illuminazione. I LED si contraddistinguono per le elevate prestazioni, la resistenza e il risparmio energetico, inoltre rispondono positivamente ai requisiti di smart lighting:

miniaturizzazione: dispositivi miniaturizzati ad alta potenza, con un elevato grado di personalizzazione
facilità d'integrazione con altri dispositivi
variazione cromatica
variazione del flusso luminoso
lunga durata
flessibilità d'installazione
funzionamento a bassa tensione (sicuro)
accensione a freddo e minore dispersione dell'energia in calore

I LED sono dispositivi a semiconduttore in grado di trasformare l'energia elettrica in luce sfruttando il processo di ricombinazione elettrone-lacuna, tipico della giunzione p-n.
L'esatta scelta dei semiconduttori e delle impurità utilizzate per il drogaggio delle due regioni del diodo, definisce la lunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni e, di conseguenza, l'intensità luminosa in uscita. I LED possono emettere luce di diversi colori, a seconda dei materiali utilizzati, per citare alcuni esempi:

AlGaAs (Alluminio, Gallio e Arsenico) per produrre il rosso e l'infrarosso
Diamante (C) per produrre l'ultravioletto
Si (silicio) utilizzato come substrato (tuttora in fase di studio) per la produzione del colore blu

Grazie alla loro versatilità, i LED sembrano essere gli oggetti illuminanti ideali per la concretizzazione del paradigma "human centric lighting", che si riferisce alla capacità dei servizi d'illuminazione di adattarsi alle esigenze biologiche dell'essere umano attraverso la dimmerazione delle risorse luminose, l'integrazione sempre più perfezionata della luce artificiale con la luce ambientale e l'imitazione sempre più realistica della luce solare. L'obiettivo è quello di eliminare i problemi che un impiego scorretto della luce artificiale può causare all'occhio umano e armonizzare l'illuminazione secondo le esigenze dettate dai ritmi circadiani.

Per citare un esempio, consideriamo la luce blu: essa ricopre un ruolo fondamentale nella sincronizzazione dell'alternanza veglia-sonno poiché causa la secrezione di cortisolo e la soppressione della secrezione di melatonina.
Un'esposizione prolungata e scorretta alla componente spettrale blu può alterare l'orologio biologico, generare diversi disturbi, come quello dell’attenzione o del sonno. Grazie a queste considerazioni e alle continue indagini sui LED, sarà possibile conferire all'illuminazione artificiale un ritmo più naturale, prediligendo l'uso della luce blu durante le prime fasi della giornata per favorire la veglia e innalzare la soglia dell'attenzione, e limitandolo in fase serale. Si consideri ora che il funzionamento dei LED è reversibile e che oltre all'emissione di luce, possono essere sfruttati come fotodiodi, ossia come sensori: se la giunzione viene esposta ad una fonte luminosa diretta, ai terminali appare una tensione dipendente dall'intensità della radiazione luminosa stessa e dal colore del LED in questione.

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