Contenuto
- Allora, cos'è un LED?
- Salto di elettroni
- Luce derivante dal cambiamento dei livelli di energia
- Gli elettroni fluiscono più facilmente in un LED
- Enormi risparmi!
- Scopri come le lampadine si confrontano in termini di costi
- Il futuro
- Fonti
- Come costruire una luce a LED
John è sempre alla ricerca di modi per aggiornare la sua casa e per risparmiare denaro. L'efficienza energetica fa sempre parte della sua strategia di risparmio.
L'invenzione è il prodotto più importante del cervello creativo dell'uomo. Lo scopo ultimo è la completa padronanza della mente sul mondo materiale, il controllo della natura umana per i bisogni umani.
- Nikola Tesla
Allora, cos'è un LED?
Data la necessità di risparmiare energia nel nostro mondo affamato di energia, le nuove tecnologie tendono a penetrare nel mercato con l'aumento dei costi energetici. Oggi il LED (diodo a emissione di luce) ha fatto conoscere la sua presenza, soprattutto con l'avvento dei cluster per alimentare luci più grandi. Con il prezzo del petrolio in aumento e l'enfasi su tecnologie che emettono meno carbonio, possiamo aspettarci nuove tecnologie per fornire illuminazione e ritocchi e revisioni alle tecnologie più vecchie.
Questo articolo risponderà alle seguenti domande:
1. Come funzionano i LED?
2. Come viene costruito un LED?
3. Perché i LED consumano molta meno energia?
4. Quali sono i risparmi energetici medi?
Salto di elettroni
Il LED è una sorgente relativamente piccola, forse meno di 1 millimetro quadrato. Può emettere luce di diversi colori, ma per l'uso domestico la luce bianca morbida è al centro dell'attenzione oggi. Non professo di essere un fisico, ma descriverò l'azione degli elettroni in un LED in un modo che può aiutare a illustrare la differenza di funzione rispetto a quella della lampadina a incandescenza.
In un atomo (elemento), gli elettroni possono essere messi in uno stato "eccitato" (muovendosi diversamente dalle loro posizioni usuali). Quando ciò accade, ad esempio, mediante l'applicazione di calore, gli elettroni saltano e si lasciano dietro un "buco". Saltando a un livello diverso nell'atomo, questi elettroni possono risuonare fino a quando un'azione non riporta gli atomi nei loro buchi (il buco è solo un nome per la posizione in cui si trovava l'elettrone). Quando gli elettroni tornano ai loro buchi di stato di energia inferiore pre-eccitati, l'energia viene emessa sotto forma di luce! Questo processo di cambiamento dei livelli di energia degli elettroni è ciò che viene sfruttato dal LED. Il colore (o lunghezza d'onda) della luce dipende dalla struttura atomica del materiale utilizzato nel LED e dalla sua temperatura.
Luce derivante dal cambiamento dei livelli di energia
Immagina che un LED abbia una striscia di materiale all'interno della sua lampadina. Una metà della striscia è composta da un semiconduttore, mentre l'altro lato è costituito da un altro tipo di semiconduttore. Gli elettroni fluiscono da un lato all'altro (in una sola direzione) e questo movimento fa sì che gli elettroni cambino i loro livelli di energia. Quando gli elettroni scendono da un livello di energia a un livello di energia inferiore, la differenza di energia finisce per essere emessa come luce.
L'immagine seguente serve per aiutare a comprendere il concetto.
Gli elettroni fluiscono più facilmente in un LED
Che valore ha dunque questo ultimo paragrafo? In parole povere, la luce viene emessa da un semiconduttore in un LED solo dal movimento o dal flusso di elettroni. Il materiale attraverso il quale fluiscono gli elettroni, o semiconduttore, è una sostanza, solitamente un elemento o un composto chimico solido, che può condurre l'elettricità in alcune condizioni ma non in altre, rendendolo un buon mezzo per il controllo della corrente elettrica. La sua conduttanza varia a seconda della corrente e della tensione applicate a un elettrodo di controllo. Questo è ciò che distingue il LED dalle nostre vecchie lampadine a incandescenza.
In una lampadina a incandescenza, c'è un filamento che è intenzionalmente progettato in tungsteno per aumentare la resistenza al flusso di elettroni. Questa resistenza fa sì che il filamento diventi caldo emettendo il 95% di calore e il 5% di luce. Un LED genera la maggior parte della sua luce "permettendo" agli elettroni di fluire attraverso un semiconduttore che non crea molto calore. Il risultato di permettere agli elettroni di fluire, l'emissione di luce, produce solo il 3% del calore di una lampadina a incandescenza.
Enormi risparmi!
A causa delle proprietà fisiche del LED, consente di risparmiare energia e quindi abbassa il costo dell'elettricità. Ad esempio, durante le vacanze la tradizionale lampadina per albero di Natale C7 utilizza 6 watt di elettricità. Un LED utilizza 0,08 watt. Far funzionare un filo di 50 luci al costo medio nazionale per l'elettricità per 5 ore al giorno per un mese costerebbe $ 4,50. Di solito uso 3 o più fili all'esterno - $ 13,50 per le festività natalizie. Un calcolo comparabile per i fili LED sarebbe inferiore a 60 centesimi per filo al mese. I miei 3 filamenti avrebbero funzionato $ 1,80.Qui stiamo parlando di circa il 13% del costo per eseguire fili C7! Puoi capire perché un uso diffuso dei LED potrebbe un giorno salvare enormemente questo paese!
I LED in genere utilizzano meno del 10% di una lampadina a incandescenza equivalente (il 10% della potenza utilizzata in una lampadina a incandescenza per produrre la stessa luce). In altre parole, un LED che produce l'equivalente di 40 watt di luce a incandescenza consuma meno di 4 watt! Questa è una formula abbastanza facile da ricordare se stai cercando di gestire i risparmi. Una lampadina a incandescenza da 75 watt (utilizzata più comunemente) richiederebbe solo meno di 7,5 watt in un LED.
La quantità media di elettricità utilizzata da una casa di 1200 piedi quadrati (l'ho scelta come una casa americana media) è di 30,6 kWh al giorno. Di questo totale, il 6-10% è il wattaggio medio utilizzato per l'illuminazione (l'utilizzo può arrivare fino al 25%). Quindi sul lato alto stiamo parlando di 3,06 kWh al giorno per la luce. Se dovessi andare alla home page della tua azienda elettrica (o giù di lì) troverai il prezzo che paghi per kWh per l'elettricità. Moltiplica 3,06 kWh x costo per kWh e sarà approssimativamente il tasso di costo dell'incandescenza per illuminare la tua casa al giorno.
MOLTIPLICATE QUELLO del 13% (0,13) e troverete il costo dell'elettricità per alimentare i LED che emettono la stessa quantità di luce al giorno. Sottrai i due prodotti e avrai dei risparmi se potessi sostituire tutte le lampade a incandescenza con i LED. A proposito, per inciso, la casa media ha circa 45 lampadine in circa 30 apparecchi.
Ma le cose non sono così semplici. Le lampade a LED sono piuttosto costose. Anche se i LED avranno una durata 5 volte maggiore delle CFL e 41 volte maggiore di una lampadina a incandescenza, c'è uno shock da adesivo al momento dell'acquisto!
Una lampadina a LED che produce un equivalente di 60 watt di luce costa $ 39,95. Il CFL costa $ 3,95. La lampadina a incandescenza costa $ 1,25
Scopri come le lampadine si confrontano in termini di costi
Ma aspetta! Questo si traduce in $ 95,95 per 50.000 ore su un LED, $ 159,75 per CFL per 50.000 ore e $ 652,50 per lampadine a incandescenza nello stesso periodo di tempo (ricorda, dovresti sostituire le lampadine prima).
In generale, un LED costa 10 volte il prezzo di una CFL e 32 volte il prezzo di un'incandescenza.
Questa discussione mostra perché i LED sono l'onda del futuro. I risparmi sull'elettricità sono fenomenali. Le città stanno assumendo un ruolo guida nell'ampio uso dei LED; alcune città stanno passando ai lampioni a LED perché possono risparmiare fino all'80% sul consumo di energia. Come altra osservazione conclusiva, la durata della batteria può essere estesa 10-15 volte se si alimentano i LED.
Sono in corso lavori per abbassare il prezzo unitario dei LED e sono in corso progressi presso la Purdue University, dove materiali nuovi e migliorati potrebbero ridurre il costo iniziale delle luci a LED. Il futuro sembra luminoso per la luce LED.
Il futuro
L'illuminazione a led si sta evolvendo. Una versione del Wi-Fi chiamata Li-Fi (ancora concettuale) è l'ultimo aggiornamento alla connettività Internet. L'uso della luce al posto delle onde radio per trasferire i dati può aumentare la velocità di 100 volte. Il Li-Fi è considerato da alcuni nel campo come il prossimo grande passo nella tecnologia LED. Nei luoghi in cui la connettività Internet è problematica, questo potrebbe essere un sostituto per le onde radio.
Fonti
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Fan, Xiazozhe (3 gennaio 2018). Un sensore di immagine basato su LED con capacità di raccolta e proiezione di energia College of Technology, recuperato dal 2 dicembre 2020 https://docs.lib.purdue.edu/open_access_theses/943/ Purdue ePubs
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Staff Energy Focus (1 gennaio 2020). The Future of LED Lighting, recuperato l'11 dicembre 2020 da https://www.energyfocus.com/blog/the-future-of-led-lighting/
