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Thermoled
 
 
premessa
 

Thermoled è il circuito oggetto del brevetto PCT n° PCT/IT2014/000071 con pubblicazione dell’International Bureau n° WO 2014/147653 quale estensione del brevetto nazionale verificato n° TO2013A000211.

Scopo del trovato è la riduzione alla fonte della produzione termica del diodo migliorandone contemporaneamente l’efficienza luminosa.

 

Ad oggi un vantaggio rilevante nel ricorso alla tecnologia led per l’illuminazione risulta essere l’elevato MTBF (mean time between failures).

Tuttavia, questa caratteristica verrà confermata innanzitutto a condizione che il sistema di dissipazione sia adeguato poiché i led non emettono nell’infrarosso per irraggiamento.

Se la dissipazione del calore è insufficiente, il dispositivo a tecnologia led può essere soggetto a incremento del carico e della temperatura, variazione della lunghezza d’onda di emissione, danneggiamento della giunzione, delaminazione interna, viraggio del colore, danneggiamento della resina epossidica e ingiallimento delle lenti.

 

Alcune soluzioni per il raffreddamento attivo, come ad esempio l’aggiunta di ventole, non presentano lo stesso MTBF. Anche il raffreddamento a getto d’aria artificiale (synthetic jet cooling), non può garantire stessa vita attesa del diodo e, comunque, entrambi non sono facilmente applicabili in alloggiamenti stagni.

 
 
sviluppo
 

Agli inizi del 2011 si è iniziato a verificare gli effetti prodotti sui led da soluzioni diverse dalla corrente costante ottenendo nel 2013 risultati soddisfacenti che il gruppo di progetto, successivamente al deposito del brevetto nazionale, ha iniziato a verificare con esperti di settore come il Prof. Franco Ferrari, lo studio Grassia, laboratori internazionali di lighting technologies verificandone il corretto funzionamento sia per le sue caratteristiche illuminotecniche che per il miglioramento del rapporto tra efficienza luminosa e produzione di calore.

 

In particolare si conducevano test comparativi paralleli in condizioni di forte stress termico, ovvero con dissipatori volutamente sottodimensionati, che le prove hanno sempre dimostrato essere facilmente superato dal ricorso a Thermoled.

 

Seguendo un percorso di system integration del Thermoled in armature e soluzioni diverse si è giunti ad un buon livello di gestione del bilanciamento efficienza termica/luminosa che ha portato al passaggio finale di applicazione del trovato ad un prodotto in commercio e misurazione presso laboratori di certificazione.   

 
 
test finali
 

Nei mesi di aprile e maggio 2014 sono stati condotti test comparativi, presso laboratori accreditati Accredia EA IAF ILAC, tra una armatura stradale (prodotto top di settore a rilevanza internazionale)  nelle condizioni operative standard e la stessa dotata di thermoled.

 
 

Il faro originale consisteva di:

-         ballast Philips Xitanium 150w

-         led Cree® XLamp® XP-G2 in serie

 

La versione thermoled sostituiva l’alimentazione con ballast Philips Xitanium 72w, ed i led collegati in serie-parallelo anziché in serie, causa il limite dei 40v per l’attuale circuito.

 
 

È stata utilizzata la stessa armatura, ottiche e led per assicurare un corretto confronto non soltanto per le ricorrenti differenze che intercorrono tra lotti diversi degli stessi diodi ma, soprattutto, per verificare i risultati su un prodotto che avesse subito stress termici elevati.

 

I risultati dunque vanno interpretati unicamente quali confronto di efficienza in condizioni diverse piuttosto che efficienza assoluta.

 
 

I test sono stati condotti con fotogoniometro a specchio, unità Chroma 6415, Yokogawa wt210 e Testo 174T; la temperatura ambiente durante i test è stata mantenuta a 25°C.

 
 

Le temperature sono state rilevate inserendo la termosonda tra il pcb led e l’alluminio di dissipazione, assicurando il corretto scambio termico grazie alle viti di fissaggio tra pcb e armatura.

 
 

Dai test condotti, tesi ad evidenziare l’efficenza termica e l’efficienza elettrica di thermoled applicato su una armatura standard senza alcuna particolare predisposizione bensì sostanzialmente con suo il semplice inserimento tra alimentatore e led, sono emersi i risultati come appresso riportati.

 
soluzione
potenza tot
lumen
lm/w
efficienza
°c

originale

108,70 W

8418,17

77,44

100%

59,9

thermoled

71,2 W

6122,43

85,99

111%

51,2

 
 

I dati elettrici rilevati a monte degli alimentatori sono stati corretti per la profonda differenza in termini di efficiency e power factor. Si è quindi escluso l’autoconsumo dei rispettivi alimentatori come da diagrammi “Output Voltage vs. Efficiency” forniti dalla Philips per gli specifici ballast, ottenendo quanto segue:

 
alimentatore
efficiency
power factor
potenza

Philips Xitanium 150W

91,6%
0,95

99,11 W

Philips Xitanium 72W

85,0%

0,90

59,45 W

 

Incrociando i dati illuminotecnici ed elettrici si ottiene:

 
soluzione
potenza
lumen
lm/w
efficenza
°c
 

originale

99,11 W

8418,17

84,93

100%

59,9

 

thermoled

59,45 W

6122,43

102,98

121%

51,2

 
 
 

Ne consegue che una versione “thermoled” da 89,18 W avrà emissione luminosa pari a 9.183,65 lumen mentre una versione “thermoled” da 104,04 W avrà emissione luminosa pari a 10.714,25 lumen entrambe con una produzione termica inferiore ai +35°C rispetto la temperatura ambiente.

 
 

Un ulteriore test ha verificato l’efficienza di thermoled con una dimmerazione di -7v gestita dal ballast Philips Xitanium 72W.

 
soluzione
potenza
lumen
lm/w
efficienza
°c

thermoled

59,45 W

6122,43

102,98

100%

51,2

thermoled -7v

49,18 W

5028,27

102,24

100%

45,5

 
 

Si evince una efficienza lumen per watt sostanzialmente immutata con una riduzione del flusso luminoso pari al 18% ed una riduzione della produzione termica pari all’ 11% .

Ciò conferma la piena compatibilità ed efficienza di thermoled con sistemi di dimmerazione standard dei ballast in commercio oltre ad un ulteriore vantaggio in termini di efficienza elettrica.

 
 

I test hanno dunque nuovamente confermato i reali vantaggi offerti da thermoled:

1.       maggiore efficienza luminosa;

2.       ridotta produzione di calore;

3.       stabilizzazione dell'emissione luminosa e conseguente aumento della vita attesa;

4.       possibilità di gestire regolarità di funzionamento senza la necessità di ridurre l’alimentazione;

5.       sostanziale riduzione volume/peso del dissipatore.

 
 

Un ulteriore dato rilevato è la maggior efficienza riscontrata nei led che abbiano subito un forte stress termico (fino alla formazione di fumo) e successivamente alimentati con thermoled.

Pertanto l’efficienza verificata nell’applicazione di thermoled, anche su di una armatura stradale di qualità e quindi già efficiente, da sola porterebbe vantaggi equivalenti ad ipotesi prospettate da Enea, Fire, Safe ed altri enti di ricerca, di spegnimento o forte riduzione dell’illuminazione nelle ore o nelle aree a minor fruizione.

Inoltre i risultati riscontrati, se già rilevanti con riferimento agli standard led attuali, sono quanto mai di sicuro interesse rispetto ad altre soluzioni tecnologiche quali ad esempio le TL5 High Output considerate a oggi vantaggiose rispetto ad alternative basate su led engine, rendendo competitive sul mercato le soluzioni illuminative led che sfruttino il brevetto thermoled.

 
 
SOLUZIONE
LM/W
EFFICENZA
TL5 HO

100

100%

led

120

+ 20%

thermoled

145

+ 45%

Nella precedente tabella si evidenzia come una maggior efficienza del 21% di thermoled verso una valida soluzione led rappresenti in realtà una maggior efficienza pari al 45% della soluzione led così gestita nei confronti di una TL5 High Output.

Un’ultima valutazione importante è il payback calcolabile sulle 6.000 ore/funzionamento per una armatura 150w o di 8300 ore/funzionamento su armatura da 100w. Il calcolo è stato effettuato considerando per l’azienda produttrice non la semplice incidenza di acquisto del brevetto o del circuito ma aggiungendo i costi di industrializzazione emarketing.

 

Thermoled ha altresì avviato, congiuntamente allo studio Grassia e altri esperti di settore, la progettazione di una armatura stradale di profonda innovazione che potrà ulteriormente migliorare le performance delle soluzioni illuminative led.


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