LED Penultima frontiera - PilloLED per Acquariofili Intraprendenti

Di Valerio La Scalia

Questo libro è dedicato agli acquariofili intraprendenti.

Un interessante viaggio nel mondo dei LED, attraversando la linea di confine che separa informazione da disinformazione, alla scoperta della “soluzione LED ideale” per illuminare i nostri acquari con i LED, dove il miglior compromesso tra offerta tecnologica del momento, prestazioni, costi e facilità di realizzazione, costituiscono il filo conduttore che guiderà la nostra ricerca.

Dopo una breve introduzione sulle potenzialità e i vantaggi della tecnologia LED l’autore descrive alcune importanti sperimentazioni avviate tra il 2010 e il 2012 nelle quali alcune soluzioni a tecnologia LED sono state utilizzate in acquari d’acqua dolce; in un’analisi critica dei risultati osservati si enunciano alcuni degli elementi che costituiranno la base di riferimento per l’impostazione di un “sistema LED ideale”.

Attraverso un percorso semplice e deduttivo, si arriverà a costruire un metodo oggettivo di facile applicazione in grado di guidare il lettore nel dimensionamento qualitativo e quantitativo di vari sistemi LED adatti all’installazione in qualsiasi acquario, sia d’acqua dolce che d’acqua salata, senza limiti di dimensioni, integrando varianti importanti quali il volume della vasca, l’altezza della colonna d’acqua, la varietà della flora e della fauna acquatiche ospitate, implementando tramite semplici procedure “fai da te” soluzioni a tecnologia LED altamente efficienti ed economiche, dimostrando gli innumerevoli vantaggi economici come i bassi costi d’investimento a fronte di una notevole riduzione dei consumi elettrici, bassissima usura dei componenti, basso impatto ambientale, alta efficienza del sistema e provata efficacia sull’ecosistema acquatico.

Per i lettori più pragmatici che vogliono raggiungere il risultato applicando una “formula magica” il capitolo “LED IN ACQUARIO IN 5 MOSSE” è senza dubbio quello più interessante e pratico.

Per chi invece ha voglia di capirne di più troverà nella seconda parte del libro, ampio margine per i dovuti “APPROFONDIMENTI”: da “Capire la luce” (che cos’è, come si misura, come la vediamo noi e come la vedono le piante), a “Conoscere i LED” (confronto tra tecnologie e circuiti di utilizzo) e i loro sistemi di alimentazione, passando da “LE LEGGI DELLA FISICA” (elementi alla base delle valutazioni computate), per capire, valutare e calcolare, e infine “LUCE e ACQUARI” per sviscerare lo stretto rapporto tra la luce e l’equilibrio degli ecosistemi acquatici.

Insomma: PilloLED per gli acquariofili intraprendenti.

• Lingua: Italiano
• Editore: Valerio La Scalia
• Data di uscita: 16 giu 2016
• ISBN: 9786050459029

Anteprima del libro

Valerio La Scalia

LED Penultima frontiera - PilloLED per Acquariofili Intraprendenti

Titolo Originale:

LED Penultima Frontiera: una tecnologia in continua evoluzione - PilloLED per Acquariofili Intraprendenti

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Copyright © 2015 Valerio La Scalia

SIAE – OLAF / Repertorio n. 2015001678 – 26.6.2015

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Edizione: Giugno 2016 (V.3.2)

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UUID: 63f07602-340d-11e6-abbe-0f7870795abd

Questo libro è stato realizzato con StreetLib Write (http://write.streetlib.com)

un prodotto di Simplicissimus Book Farm

INDICE

PREMESSA

LED: UNA TECNOLOGIA IN CONTINUA EVOLUZIONE

ESPERIENZE PREGRESSE

Sperimentazione FULL-LED (2010)

Sperimentazione FULL-LED (2012)

ATTUALE UTILIZZO DEI LED NEL MONDO DEGLI ACQUARI

RISPARMIARE CON I LED

Investimento iniziale

Consumi energetici

Costi di manutenzione

I LED E L’AMBIENTE

IL SISTEMA LED IDEALE

Tipologia di LED

Modello dei LED

Casa costruttrice

Venditore

Una progettazione equilibrata

LED sotto Test

LED IN ACQUARIO IN 5 MOSSE

Valutazione dell’esigenza

Progettazione

Realizzazione e Installazione del Sistema LED

Alimentare e Pilotare i LED

Monitoraggio e avvio della nuova gestione del fotoperiodo

APPROFONDIMENTI in Pillole

CAPIRE LA LUCE

Il Flusso luminoso

La luce vista dalle piante

La luce vista dalle zooxantelle

La luce vista dall’occhio umano

Gli strumenti per misurare la luce

Alterazione del flusso luminoso

Temperatura di Colore

Indice di Resa Cromatica (CRI)

CONOSCERE I LED

Efficienza luminosa

Tipologie di LED

PCB - Printed Circuit Board

Relamping

Vita Utile dei LED

Protezione e Impermeabilizzazione dei LED

Dissipazione del Calore

ALIMENTATORI

LEGGI DELLA FISICA

Potenza elettrica

Fattore di Potenza

Legge di Ohm

Serie e Parallelo

Angolo di emissione della luce

LUCE e ACQUARI

La giusta luce per ciascuna pianta

Non di sola luce…

Allelopatia e fitotossicità

Colore del fondo

Luce e Pesci

CONSIDERAZIONI FINALI

RINGRAZIAMENTI

PRINCIPALI RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

NOTE

PREMESSA

Applicazione della tecnologia LED agli acquari: informazioni e disinformazioni

Nel mese di ottobre del 2014 la Royal Swedish Academy of Sciences ha conferito il premio Nobel per la fisica 2014 ai giapponesi Isamu Akasaki e Hiroshi Amano, della Nagoya University e allo statunitense Shuji Nakamura, dell’University of California – Santa Barbara « per l’invenzione di diodi efficienti che emettono luce blu, che ha permesso lo sviluppo di sorgenti di luce bianca luminose ed energeticamente economiche ».

Da quando ho iniziato ad utilizzare i LED negli anni ‘80 ne è passato di tempo: all’epoca li si impiegava quasi esclusivamente come spie luminose (prima solo rosse e verdi, poi anche gialle) ed al massimo ci si poteva inventare qualche circuito elettronico a bassa potenza per la realizzazione di ingegnosi effetti luminosi: niente di più.

Ricordo ancora con nostalgia l’avvento dei primi diodi LED ad Alta Luminosità (bianchi) – ovviamente niente a che vedere con i LED di oggi; ma chi l’avrebbe detto che questo timido tentativo di tirare fuori più luce da una singola giunzione di silicio drogata con piccole impurità, avrebbe portato ai fantastici risultati di oggi… e non è ancora finita.

Infatti, secondo quanto scrive la Fondazione Nobel « i Led saranno le luci del ventunesimo secolo » e quanto sta già accadendo dimostra che la rivoluzione della luce a causa dei LED è già in atto.

Sin dal 2007, dopo aver allestito il mio primo acquario d’acqua dolce, ho iniziato a utilizzare i LED, ovviamente, ancora, solo come effetto scenografico di supporto all’illuminazione principale della vasca. Sebbene parliamo di non molti anni fa, le vasche erano già illuminate prevalentemente con soluzioni standard che impiegavano gli ottimi e più performanti tubi fluorescenti T5 e/o lampade PL (secondo la dimensione delle vasche). Benché la tecnologia T5 avesse già in quegli anni preso piede e stesse palesemente soppiantando le vecchie T8, obsolete non tanto per il corpo-lampada quanto per il loro sistema di ballast elettromagnetico ormai superato, si vedevano ancora delle vasche (nuove) vendute con soluzioni T8: per lo più vecchi modelli e/o rimanenze di magazzino. Sembrava che ormai il T5 dovesse rappresentare il futuro dell’illuminazione degli acquari, almeno di quelli d’acqua dolce!

Solo in seguito, con la rapida evoluzione dei livelli di efficienza e prestazioni della tecnologia LED, ho iniziato a pensare ai LED come una possibile soluzione alternativa ai sistemi di illuminazione tradizionale per gli acquari, per una gestione al 100% del fotoperiodo (" Full LED").

Contemporaneamente, di lì a poco, iniziarono a farsi strada le primissime offerte del mercato che a prezzi esorbitanti proponevano Plafoniere-LED dalle dubbie caratteristiche, ma dotati di fantastici effetti scenografici (l’inflazionatissimo effetto alba-tramonto) e dal design a dir poco accattivante.

Il mondo del fai-da-te si è quindi fortemente mobilitato, ma la troppa confusione e la tanta disinformazione hanno sin da subito fatto da deterrente per i molti non addetti ai lavori, sebbene armati di tanta buona volontà e voglia di fare.

Non vi è dubbio che un buon utilizzo dei LED può rendere obsoleta anche la tecnologia T5 (perfino dal punto di vista dei consumi energetici oltre che per longevità), a patto di scegliere con attenzione i LED più performanti e di impostare un buon progetto per una adeguata configurazione e una corretta installazione.

Nel breve viaggio che faremo insieme, tra le pagine di questa guida, cavalcando l’onda dell’informazione al di là della gratuita disinformazione, cercheremo di fare chiarezza per orientarci con sicurezza e determinazione in questo magico, ma talvolta inaccessibile, mondo dei LED.

LED: UNA TECNOLOGIA IN CONTINUA EVOLUZIONE

Evoluzione dei sistemi LED di ieri, di oggi e di domani

Sebbene stia tenendo sotto controllo l’evoluzione della tecnologia LED già dal 2008, è stata la serata tematica, che ho presentato nell’aprile 2010 nell’ambito dell’Associazione CIR (Club Ittiologico Romano – Giancalo Iocca) e la redazione di un articolo di approfondimento pubblicato sul portale della medesima associazione, che ha fatto da apripista sull’argomento, permettendo la costituzione di un piccolo gruppo d’acquisto, composto da alcuni membri dell’associazione, orientato all’avvio di una prima sperimentazione di tipo FULL-LED (cioè una configurazione nella quale il fotoperiodo di una vasca viene gestito totalmente tramite LED). Dati gli elevati costi e le ancora modeste performance dei LED dell’epoca, nonché, diciamolo pure, la veloce evoluzione tecnologica che questa tecnologia stava vivendo, era improponibile lanciarsi verso la sperimentazione più impegnative su vasche di dimensioni ragguardevoli; per questa prima esperienze pensammo di utilizzare prevalentemente piccole vasche, nelle quali avremmo studiato gli effetti sull’ecosistema acquatico della luce prodotta dalle nostre configurazioni LED.

Dopo circa sei anni di progresso tecnologico e di evoluzione del mercato è giunto il momento di rifare il punto della situazione, cogliendo anche l’occasione di una condivisione delle esperienze personali nel frattempo accumulate.

Più tardi, sempre nell’ambito dell’Associazione CIR, insieme all’amico Raffaele G., abbiamo preparato altre due serate tematiche (presentate nei mesi di Marzo e Maggio 2014) dal titolo " LED in Acquario in Cinque Mosse", orientate a facilitare la comprensione della complessa giungla di offerte a tecnologia LED, sia nel campo di soluzioni già realizzate, sia in quello più articolato del fai-da-te; l’obiettivo è stato quello di condividere metodi, regole e nozioni di base per imparare innanzitutto a distinguere informazione da disinformazione, puntando verso la ricerca della soluzione LED più idonea alle proprie esigenze, prestando anche attenzione all'aspetto economico, sia nella scelta di soluzioni già pronte all’uso, che nell’affrontare con maggior serenità realizzazioni fai-da-te veramente efficaci.

Obiettivo finale: mettere i " LED in Acquario in Cinque Mosse" attraverso un semplice percorso:

valutazione delle effettive esigenze della vasca,

scelta dei LED e progettazione,

realizzazione e installazione,

alimentazione e controllo dei LED

osservazione, nella fase di avvio del sistema LED.

Non vi è dubbio che per giungere a maturare la scelta di rimuovere le lampade a tecnologia tradizionale dalle nostre vasche per sostituirle con sistemi a tecnologia LED, è doveroso, a parità di prestazioni, verificare e valutare i possibili (verosimili ma non scontati) vantaggi economici insiti nell’operazione.

In solo quattro anni, dal 2010 al 2014, possiamo osservare che l’evoluzione della tecnologia (progresso) e del mercato dei LED (maggior diffusione) ha fatto sì che il costo per lumen (unità di misura del flusso luminoso prodotto [lm]) si sia mediamente dimezzato mentre le loro performance, in generale, hanno registrato un raddoppio delle prestazioni, sia in termini di maggiore efficienza luminosa (lm x watt) sia per la capacità di produrre una maggior quantità di luce con singoli LED (lm x LED).

Contemporaneamente anche l’offerta del mercato, che ruota intorno all’applicazione di questa tecnologia agli acquari, si è evoluta. Oltre alle classiche plafoniere LED che sono divenute mediamente meno costose, relativamente più performanti, tendenzialmente più efficaci (ma troppo spesso ancora non corredate da informazioni chiare con dati tecnici utili per un’oggettiva valutazione delle prestazioni), si è maggiormente diffusa una nuova zona di business: quella dedicata ai sistemi di controllo, più o meno sofisticati, facilmente programmabili tramite computer e tablet sia in Wireless che via Bluetooth, applicabili tanto a sistemi LED pronti chiavi-in-mano, quanto a configurazioni fai-da-te.

In questi ultimi anni, quindi, è impossibile non osservare che il boom dell’applicazione dei LED agli acquari ha determinato una crescita esponenziale del numero dei clienti/utilizzatori e conseguentemente dei fornitori/importatori, soprattutto nell’ambito del fai-da-te (data la prospettiva di realizzazioni a basso costo); mediamente, con un quarto dei costi per investimento necessari appena quattro anni fa è oggi possibile concretizzare realizzazioni LED ancora più interessanti, sia sotto il profilo prestazionale che economico.

Andando per gradi, tirerò prima le somme sulle mie esperienze pregresse nell’applicazione dei LED agli acquari: le valutazioni maturate con queste esperienze hanno contribuito ad arricchire il bagaglio di competenze personali per un più efficace ingegno nella realizzazione dei sistemi LED di oggi e di domani.

ESPERIENZE PREGRESSE

Resoconto dei primi Test sull'applicazione della tecnologia LED agli acquari d'acqua dolce

I test effettuati in questi anni (dal 2010 ad oggi) hanno consentito di saggiare la bontà dei metodi di calcolo, per il dimensionamento quantitativo e qualitativo dei LED, consentendone la messa a punto, per un processo oggi consolidato di confronto e selezione, funzionale a tener conto delle dimensioni delle vasche, dell’altezza della colonna d’acqua, delle esigenze delle piante acquatiche utilizzate (riferendomi agli acquari d’acqua dolce), non perdendo mai di vista l’efficienza e l’efficacia delle soluzioni adottate, acquisendo e affinando metodologie e logiche di valutandone delle prestazioni, dei costi per l’investimento e per i consumi elettrici distribuiti nel tempo.

Sperimentazione FULL-LED (2010)

Sintesi delle prime sperimentazioni con LED SMD effettuate nel 2010

Per questa prima sperimentazione abbiamo utilizzato strisce flessibili (le cosi dette STRIP-LED), assai diffuse in quel periodo, con LED prevalentemente di tipo SMD 5050; le strisce LED, tagliate a misura in base alle dimensioni della vasca, venivano alimentate con tensione costante (12Vcc); l’impermeabilizzazione (IP68) delle strisce LED usate è stata garantita dall’utilizzo di tubi in silica-gel a sezione rettangolare (vedi figura).

Sintesi dei risultati

In estrema sintesi i risultati della sperimentazione sono stati molto promettenti, con grande soddisfazione dei partecipanti al progetto. Sebbene la sperimentazione fosse limitata all’applicazione dei LED in piccole vasche, anche molto diverse tra loro (a seconda delle esigenze di ciascuno), in tutti si è mantenuto la medesima impostazione realizzativa: le strisce LED sono state acquistate inserite all’interno della guaina rettangolare di silica-gel trasparente alla luce e potenzialmente termoconduttiva. Una volta sigillate le estremità con silicone acetico trasparente e guaina termo-restringente, le strisce in silica-gel con dentro i LED sono state applicate (sempre con lo stesso tipo di silicone acetico) a dei supporti di vario tipo in grado di sostenerle, allineate a pochi centimetri dalla superficie della vasca; nella maggior parte dei casi (non sempre) il supporto usato era in alluminio: nella mia sperimentazione ho usato prevalentemente dei profilati ad L opportunamente connessi tra loro, interponendo della pasta termoconduttiva (filler), e fissati con l’ausilio di piccoli rivetti; questo allo scopo sia di incrementare la superficie di contatto alluminio/aria (favorendo quindi la dissipazione termica del calore prodotto dai LED), sia per costituire una piastra sufficientemente larga da ospitare tutte le strisce di diverso colore e bianche con diversa temperatura di colore, seguendo sequenze prestabilite.

In base alla forma ed alla tipologia delle vasche messe a disposizione dei vari soci per la sperimentazione, i supporti sono stati collocati in varie maniere:

direttamente sotto il coperchio a pochi centimetri dalla superficie dell’acqua, o

dietro uno schermo trasparente (originaria sede di un vecchio sistema di illuminazione tradizionale – T8, T5 o PL), o

in aria, appoggiato su una superficie di plexiglass da 2 mm di spessore a sua volta sovrapposta sui bordi della vasca a pochi centimetri dalla superficie dell’acqua.

Tre diverse configurazioni che offrono l’opportunità di valutare con maggiore efficacia questa esperienza LED.

Dopo un congruo periodo di osservazione (quattro anni dall’avvio della sperimentazione, pari a circa 12.000 ore di funzionamento), analizziamo, uno per uno, gli aspetti più critici e i punti di forza rilevati nelle varie configurazioni:

Dissipazione termica

Chiariamo subito che il contenimento del valore della temperatura di giunzione dei LED è uno dei punti chiave per salvaguardare la loro longevità. Dobbiamo dire che alimentando questi LED a 12 Vcc (che è il valore della tensione di lavoro - massima - raccomandata dal costruttore), il calore prodotto, sebbene non ancora eccessivo per la tipologia di tecnologia LED utilizzata (STRIP-LED), richiede, comunque, un’adeguata dissipazione.

Nel caso dell’applicazione delle strisce LED su supporto in alluminio e funzionamento in aria (caso di installazione tipo 3) la temperatura rilevata sul supporto di alluminio, con la massima accensione di tutti i LED, si stabilizza intorno ai 56°C. Senza entrare in questa sede in più specifiche considerazioni e calcoli sulla resistenza termica (che affronteremo invece più avanti nel capitolo sugli Approfondimenti) possiamo affermare, per ovvie ragioni che, a regime, la giunzione dei LED si