Lampade LED nei tunnel

Test reali: 50.000 ore sul campo e analisi della vita media delle luci a Led

Questo articolo tratta della sfida di affidabilità del LED in ambienti come i tunnel cittadini, dell’innovazione, dell’intercambiabilità e della standardizzazione delle lampade a LED nelle gallerie e delle applicazioni future della comunicazione wireless Zigbee nel controllo dell’illuminazione dei tunnel. È basato su dati misurati sul campo per 50.000 ore riguardanti il mantenimento delle lampade e le prestazioni di illuminazione del tunnel Yangtze River di Shanghai, illuminato con specifiche lampade a LED.

Panoramica sui progetti di illuminazione dei tunnel con lampade LED

I tunnel stradali rappresentano una sfida importante per l’illuminazione e per le sorgenti luminose.
Sono richiesti il funzionamento per 24h al giorno, un basso consumo energetico e un grande sforzo per il mantenimento del sistema di illuminazione per garantire efficienza energetica, durata e affidabilità delle sorgenti luminose. Fondamentalmente il LED rappresenta una buona scelta ma è anche una tecnologia piuttosto recente per quanto riguarda l’illuminazione in generale e soprattutto quella delle gallerie. Diversi progetti per l’illuminazione delle gallerie sono stati avviati negli ultimi anni e ora è il momento di esaminare le prestazioni dei primi sistemi di illuminazione a LED.

Tunnel Thüringer Schmücke

Nel 2008 il tunnel Thüringer Schmücke sulla A71 è diventato il primo tunnel in Germania, e il più lungo in Europa, dotato di una brillante luce LED. La sostituzione delle lampade a luminescenza ad alta intensità da 70 W con quelle a LED Golden DRAGON Plus ha permesso un risparmio del 30% di energia. Una sofisticata tecnologia di compensazione del degrado della luce rende la lampada Dellux virtualmente senza manutenzione per ben 130.000h (15 anni).

Tunnel Renming Road a Shanghai

Nel 2009 il tunnel Renming Road a Shanghai era lungo solo 2 km ma rappresentava un perfetto luogo di prova per valutare le prestazioni dei LED Golden DRAGON Oval Plus in confronto ai tubi fluorescenti. Offrendo le stesse prestazioni e la stessa omogeneità, i tubi a LED hanno mostrato un significativo risparmio di energia associata a una durata molto più lunga e costi di manutenzione più bassi.

Tunnel del fiume Yangtze a Shanghai (2009)

È il progetto di tunnel più importante in Cina, ed è stato anche coinvolto in progetti di ricerca. Con 8,9 km di lunghezza, era il progetto più lungo al mondo con tubi LED, utilizzando 5.786 lampade con LED da 420k Golden DRAGON Plus. I team di ricerca del progetto comprendono una università, un istituto di design, il titolare del progetto e il governo di Shanghai. Nell’ambito della sperimentazione diverse lampade LED sono state valutate accuratamente e il team ha deciso di continuare il progetto con il produttore di LED Osram Opto Semiconductors e l’azienda di lampade Zhonglong. Questo progetto di tunnel è alla base della valutazione sulla vita delle lampade in questo documento.

Tunnel Qingdao Jiaozhou Bay (2011)

Basandosi sul grande successo della galleria del fiume Yangtze e sulle esperienze positive, si è dato il via al progetto sul tunnel più largo al mondo illuminato a LED, nonché quello sottomarino più lungo della Cina. Con 7,8 km di lunghezza, il tunnel Qingdao Jiaozhou Bay è leggermente più corto di quello sotto il fiume Yangtze, ma con 7.076 lampade a LED da 720k OSLON SSL, è significativamente più grande in termini di dimensioni.

Tunnel Dalian Road a Shanghai (2013)

Il vecchio sistema di illuminazione del tunnel Dalian Road aveva 1.592 set di lampade con 2×36WT8 tubi fluorescenti in ciascun set. Il tunnel è stato rinnovato nel 2013 ed è stato aggiornato il sistema di illuminazione con lampade a LED di appena 35 W (risparmio energetico 51%), controllate grazie alla tecnologia di comunicazione wireless Zigbee. Simile al tunnel del fiume Yangtze, anche questa galleria è stata considerata come un progetto di ricerca, concentrandosi sullo studio dell’intercambiabilità delle lampade LED, dei driver e dei sistemi di controllo.

Valutazione sulla vita dei LED nel tunnel del fiume Yangzi di Shanghai

A causa del carattere di progetto di ricerca del tunnel del Fiume Yangzi, sono state registrate le prestazioni di illuminazione, nonché l’affidabilità sotto forma di tassi di insuccesso. La configurazione generale del tunnel è elencata nella tabella riportata di seguito.

• Lunghezza dei tunnel: 8,9 Km
• Larghezza del tunnel: 12,75 m
• Corsie per senso di marcia: 3
• Numero di lampade 5.786 pz
• Numero di LED per lampada 70 pz
• Tipo di LED: Golden DRAGON Plus LUW W5AM 5700K
• Sistema di controllo luci: Regolabile da 10% a 100% in 9 step

I livelli di illuminazione sono stati progettati secondo le esigenze delle diverse zone del tunnel.

La “zona di ingresso” fornisce un’elevata luminanza per consentire una facile rivelazione di ostacoli senza riduzione della velocità. Nella “zona di transizione” i livelli di luce sono più ridotti per “accompagnare” l’occhio lentamente verso livelli di luminosità più bassi. La “zona interna” fornisce un livello di illuminazione costante per una guida normale attraverso il tunnel. La “zona di uscita” ha nuovamente un livello di illuminazione più alto per consentire un graduale adattamento alle condizioni di luce al di fuori del tunnel.
La misurazione media della distribuzione di illuminamento in ogni zona del tunnel è stata eseguita misurando 30 punti di prova in una griglia definita e rappresentativa dell’area.

Gli stessi punti di misurazione sono stati utilizzati negli anni, tranne che per l’ultima lettura. Un altro passo molto importante è stato la pulizia delle lampade da polvere e sporcizia. La misura prima e dopo la pulitura ha dimostrato il forte impatto della sporcizia sul livello di luminosità.

Il fattore polvere mostra la luminosità aumentare dopo la pulizia dei corpi illuminanti. Specialmente nella “zona interna 3” che si trova vicino all’uscita del tunnel, il livello di illuminazione è ridotto del 36% quando le lampade sono coperte di polvere. Oltre alla polvere un altro fattore è stato preso in considerazione nell’analisi: la temperatura delle lampade è diversa a seconda della zona del tunnel e naturalmente con il mutare delle stagioni e delle condizioni meteorologiche alle quali le misurazioni sono state prese. Quindi le letture sono state normalizzate a una temperatura ambiente di 26°C e, per la futura sintesi consolidata del mantenimento del flusso luminoso oltre le 46.000 h, verranno considerate le maggiori sollecitazioni della “zona interna 3”.

 

Questo grafico mostra la variazione dell’illuminamento medio su strada, determinata mediante le misurazioni descritte in precedenza. Tiene conto dell’invecchiamento dei LED, del riflettore ottico e del coperchio delle lampade e di altri fattori. Le prime 6 misurazioni sono state condotte dall’università come parte del progetto di ricerca. L’ultima lettura a 46.000 h è stata eseguita in posizioni e con attrezzature leggermente diverse dal servizio ufficiale di certificazione e collaudo competente.

 

Confrontando i dati reali del flusso luminoso con il mantenimento previsto dalla Osram Opto Semiconductor sulla vita delle lampade, i risultati sono molto simili. Si prevede un calo di flusso luminoso dell’85% a 46.000h per i soli LED. I valori misurati sono tra il 70% e l’80% per l’intero sistema. Il modello matematico per i LED e le misurazioni reali si incrociano quindi molto bene, la differenza tra i due risultati può essere infatti spiegata con l’invecchiamento della lampada e dell’ottica. Ulteriori indagini approfondite sugli apparecchi sono in corso.

Sviluppo del tunnel di Shanghai e norme per l’illuminazione LED

Il rapido sviluppo della tecnologia LED negli ultimi anni, soprattutto il miglioramento dell’efficacia dei LED, della loro affidabilità e durata, mostra un grande potenziale di risparmio energetico assieme al completo controllo della luminosità. Anche se si possono annoverare già diversi casi di successo, l’illuminazione dei tunnel tramite LED è ancora nella fase iniziale del suo sviluppo. Bisogna considerare una serie di problemi, quale ad esempio la mancanza di standard di prodotto tra diverse lampade a LED per tunnel provenienti da fornitori diversi. Questo rende difficile l’intercambiabilità dei moduli LED, dei driver e dei meccanismi di controllo, e rappresenta un ostacolo per la manutenzione a lungo termine e influenza negativamente i proprietari di tunnel ad adottare il sistema di illuminazione a LED.

La Shanghai Urban Construction e la Communications Commission hanno istituito, nel marzo 2011 a Shanghai, un gruppo di lavoro per stilare criteri guida per la tecnologia d’illuminazione a LED dei tunnel (Application Guide to the LED Tunnel Lighting Technology). Il gruppo era formato da membri provenienti da autorità di governo, ingegneri specializzati nella progettazione di tunnel, istituti di design, Università e così via. Basandosi sull’esperienza appresa con il tunnel sotto il fiume Yangtze di Shanghai (2009), come pure su studi di ampio respiro nazionali ed esteri sulle tecnologie di illuminazione LED, il gruppo di lavoro è giunto a una svolta nella formulazione di norme sulla modularità e sull’intercambiabilità delle lampade a LED per i tunnel.

The Application Guide of Shanghai LED Tunnel Lighting Technology è stata rilasciata nel mese di aprile 2012, ed è stata ulteriormente aggiornata all’inizio del 2013 per includere non solo l’intercambiabilità delle lampade LED (dimensioni e installazione), ma anche l’intercambiabilità dei moduli LED (interfacce elettrica e fotometrica). Il gruppo di lavoro ha anche sviluppato un protocollo aperto di controllo intelligente – il protocollo LCP SH adatto per i LED di illuminazione delle gallerie.

La Shanghai Urban Construction e la Communications Commission hanno pubblicato ufficialmente “The Application Code for LED Tunnel Lighting Technology” (Il codice applicativo per la tecnologia LED di illuminazione dei tunnel) e lo ha adottato come uno dei codici di ingegneria di Shanghai nel maggio del 2014 con il codice unificato DG/TJ08-2041-2014, che è diventato effettivo a partire dal 1 agosto 2014.

La nuova generazione di LED offre anche una durata maggiore

I package LED, i chip e il convertitore sviluppati continuamente negli ultimi anni, oltre a una nuova generazione di LED, rappresentano attualmente lo stato dell’arte nell’illuminazione dei tunnel e nelle applicazioni per l’illuminazione stradale e si concretizzano negli OSLON Square.

Rispetto al Golden DRAGON Plus che usa la connessione in rame (leadframe) e l’alloggiamento in poliftalammide (PPA), l’OSLON Square utilizza un supporto in ceramica rivestito da uno strato di silicio altamente riflettente e stabile. Le lenti di silicio di nuova progettazione consentono quasi il 100% del processo di outcoupling (fuoriuscita) della luce dal LED. Pertanto lo strato di PPA riflettente non è più necessario e quindi è stato rimosso un fattore significativo della degradazione del flusso luminoso. In aggiunta le radiazioni a breve lunghezza d’onda rimangono intrappolate nel package e quindi la generazione di calore è ridotta al minimo. Le dimensioni sono passate da 11×6 mm per il Golden DRAGON Plus a soli 3×3 mm per l’OSLON Square. Allo stesso tempo la dimensione dei chip utilizzati nei LED è stata raddoppiata da 1 mm² a 2 mm².

Anche con una densità di potenza più elevata come questa, i modelli previsionali di durata prevedono un abbassamento significativo del flusso luminoso simile a quello del progetto del tunnel del fiume Yangtze.

Pertanto la durata della vita del progetto d’illuminazione della galleria utilizzando i LED OSLON.
Square è significativamente più alta e soddisfa anche i requisiti più elevati pur lavorando in condizioni di applicazione più dure.

Tendenze dei sistemi di illuminazione a LED nei tunnel

Lampada per tunnel con modulo LED standardizzato e intercambiabile.
Anche se il LED ha una vita abbastanza lunga (~ 50K ore, 5,7 anni con funzionamento continuo in galleria 24ore al giorno), le apparecchiature di illuminazione dei tunnel (l’alloggiamento e il dissipatore di calore) hanno di solito una vita di 25 anni o addirittura di più. Uno dei principali motivi di scelta per l’utilizzo di questi sistemi LED nei tunnel consiste nel fatto che quando alcuni componenti LED si guastano o raggiungono la fine del loro ciclo di vita, è possibile sostituire facilmente il modulo LED e ri-utilizzare la lampada e l’alloggiamento per ridurre i costi di manutenzione.

Sistemi di attenuazione per ottenere un maggiore risparmio energetico

A causa del fattore di mantenimento (di solito circa 0,7), il livello di luce iniziale del tunnel sarà ~30% superiore al target di progetto. Con il sistema di attenuazione, si può inizialmente ridurre il livello delle lampade a LED per soddisfare i livelli di luce richiesti e aumentare gradualmente la potenza negli anni seguenti, per evitare sprechi di energia nei primi anni e ottimizzare le prestazioni di illuminazione secondo le norme.

L’illuminazione della galleria è in funzione per 24 ore al giorno ma di solito da metà notte fino alla prima mattina vi è molto meno traffico e il livello di illuminazione potrebbe essere diminuito di conseguenza. Questo aiuta a ottenere un maggiore risparmio energetico e a prolungare la durata di vita dei LED, mantenendo la stessa uniformità di luminanza sulla superficie stradale.

Controllo intelligente con Zigbee nel progetto di rinnovamento dei tunnel

Oltre ai nuovi tunnel, sono sempre di più le gallerie esistenti che hanno esigenze di rinnovo e aggiornamento del sistema di illuminazione. Al fine di avere una funzione di attenuazione intelligente nei progetti di rinnovo dei tunnel, ma apportando i minori cambiamenti possibili agli armadi di comando e alla cablatura esistente, è possibile utilizzare la tecnologia di controllo wireless Zigbee. Ad esempio è stata usata nel tunnel di Dalian Road, senza posa di cavi di controllo, riducendo il costo di installazione e abbreviando i tempi di lavorazione. Un’esperienza di successo per l’aggiornamento del sistema di illuminazione delle vecchie gallerie.

Conclusione

Sebbene l’illuminazione dei tunnel è stata considerata come più impegnativa per i LED, soprattutto per l’alta umidità e la presenza di gas corrosivi, i dati reali di 50.000 ore di mantenimento dei lumen del tunnel Shanghai Yangtze River ci danno molta la fiducia sull’affidabilità dei LED e sulla durata in applicazioni outdoor. In aggiunta questi dati si basano sulla tecnologia a LED di 6 anni fa. Gli ultimi LED OSLON Square con package ceramico e chip UX:3 hanno migliorato ulteriormente le prestazioni di durata e affidabilità.

Il continuo miglioramento della tecnologia LED, la certificazione reale di durata e affidabilità, l’innovazione nell’intercambiabilità e nella standardizzazione delle lampade LED per tunnel, la tendenza a usare sistemi di controllo wireless Zigbee, contribuiranno ad aumentare il livello di confidenza e accelereranno ulteriormente l’adozione di LED nell’illuminazione delle gallerie.

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