ITRM20130010A1 - "apparato d'illuminazione a luce solare per mezzi di trasporto" - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo:

APPARATO D'ILLUMINAZIONE A LUCE SOLARE PER MEZZI DI TRASPORTO;

Settore tecnico dell’invenzione La presente invenzione si rivolge al settore dei trasporti. In particolare, riguarda un innovativo sistema di illuminazione applicabile, per esempio, ad autoveicoli, imbarcazioni, aerei.

Secondo il trovato, tale sistema di illuminazione utilizza - direttamente e senza trasformarla - la luce solare come fonte di luce ed è integrabile con i tradizionali sistemi di illuminazione ad energia elettrica. Può essere utilizzato con profitto in qualsiasi veicolo per ridurre il consumo di carburante necessario per il funzionamento di dispositivi elettrici d'illuminazione.

Una delle caratteristiche peculiari dell’invenzione risiede proprio nell'utilizzo diretto della luce solare per l'illuminazione interna del veicolo e per il funzionamento di dispositivi ottici di segnalazione e di illuminazione stradale.

Stato dell'arte

E' noto che i dispositivi di illuminazione di un mezzo di trasporto tradizionale, per esempio fari e indicatori di posizione di un'automobile, traggono l'energia necessaria al loro funzionamento dal carburante che il mezzo consuma. Nel caso dell'automobile, il motore brucia carburante e oltre a fornire l'energia per la trazione meccanica, va a caricare la batteria elettrica alla quale sono collegati tutti i dispositivi di illuminazione, per esempio quelle dei fari e degli indicatori di posizione. Lo stesso discorso si applica a furgoni, camion, navi, aerei o altri mezzi di trasporto.

In ogni caso, il funzionamento dell'impianto di illuminazione comporta un consumo di carburante. Per esempio, colpisce il caso dell'illuminazione delle cabine delle navi, che richiedono l'accensione di lampadine elettriche anche in pieno giorno in mezzo al mare in una giornata di Sole.

Nel settore della produzione di energia elettrica mediante pannelli fotovoltaici, sono stati sviluppati dei dispositivi che, nonostante nati per altro scopo (produrre energia elettrica a partire dalla luce del Sole), possono essere utilizzati con profitto per applicazioni illuminotecniche, come quella in questione.

Si tratta dei concentratori solari luminescenti. Una migliore comprensione dell’invenzione si avrà con la seguente descrizione dettagliata e con riferimento alle figure allegate che illustrano, a puro titolo esemplificativo e non già limitativo, una preferita forma di realizzazione.

Nei disegni:

la Figura 1 è una vista schematica di un concentratore solare luminescente;

la Figura 2 è un grafico che illustra la regione di assorbimento della luce solare ad opera di particolari sostanze coloranti e conseguente riemissione della luce a lunghezze d'onda maggiori; la Figura 3 rappresenta uno schema di un concentratore LSC composto di tre strati (violaverde-rosa) per emissione di luce bianca;

La Figura 4 mostra il concentratore solare luminescente secondo il trovato, in tre segmenti giallo-rosa-verde per cromaticità bianca, con le estremità collegate a fasci di fibra ottica.

Detti concentratori solari luminescenti attualmente noti, sono solitamente costituiti da lastre di materiale trasparente di basso costo, come plastica o vetro, nei quali opportuni coloranti fluorescenti vengono internamente dispersi o depositati sulla superficie.

Questi coloranti fluorescenti assorbono parte della luce solare e la riemettono all’interno della lastra dopo averne spostato la lunghezza d'onda. Sfruttando il fenomeno della riflessione interna totale, gran parte della radiazione riemessa subisce una serie di riflessioni all’interno della lastra fino ad essere concentrata ai bordi. Qui vengono poste delle tradizionali celle fotovoltaiche di piccole dimensioni che generano energia elettrica.

Un'illustrazione della struttura di un tale dispositivo è riportata in figura 1, mentre in figura 2 è riportato il funzionamento ottico (assorbimenti/emissione luce) dei coloranti fluorescenti più comunemente utilizzati.

I vantaggi di questa tipologia di concentratori solari sono i seguenti:

· catturano sia la radiazione diretta che la radiazione diffusa pertanto non richiedono meccanismi di inseguimento del Sole

· i coloranti utilizzati possono essere scelti in modo che la radiazione emessa sia tale da regolare il colore della luce prodotta (per esempio bianca a scopi d'illuminazione o giallo ambra per dispositivi di segnalazione, o altro colore).

· si possono ottenere a superficie piana o curva e in varie colorazioni.

· Possono essere leggeri e compatti

(V. FIGURE 1, 2, 3)

Descrizione dell'invenzione

Il concetto inventivo alla base della presente invenzione, è quello di usare dei concentratori solari luminescenti simili a quelli sopra descritti, ma realizzati in modo da essere privi della cella fotovoltaica per essere direttamente accoppiati ad una o più fibre ottiche allo scopo di trasportare direttamente la luce solare concentrata dal concentratore al punto di utilizzo finale, come illustrato in figura 4.

Il punto di utilizzo della luce non è riportato per chiarezza in figura 4 e può essere per esempio il fanale di un'automobile, le luci di posizione di un camion, la cabina interna di un'imbarcazione navale, l'interno di un vagone ferroviario, o quant'altro.

Tale idea di base, che quindi consiste nel creare illuminazione dalla luce solare e applicarla a fini illuminotecnici, può essere realizzata anche in maniera tale da considerare l'apporto di luce artificiale qualora quella naturale fosse non disponibile o troppo fioca (per esempio durante la notte).

A tal fine si prevede di impiegare un dispositivo elettronico in grado di misurare la quantità di luce in uscita dalla fibra ottica e comandare, quando necessario, l'accensione della sorgente di luce artificiale. In questo caso una lampada a LED risulterebbe particolarmente indicata grazie alla sua buona efficienza energetica e alla sua veloce risposta luminosa all'accensione elettrica.

Giova notare che la stessa luce artificiale può essere alimentata dai circuiti elettronici di bordo (per esempio la batteria nel caso di un'automobile) oppure può vantaggiosamente essere tenuta accesa facendo ricorso ad una batteria elettrica ricaricabile collegata ad un dispositivo fotovoltaico alimentato dalla luce emessa dal concentratore solare quando la luce non serve per illuminare, per esempio quando il veicolo è in stazionamento (e.g. automobile posteggiata).

Esempi d'uso

Di seguito vengono riportati, a titolo illustrativo, alcuni esempi d'uso del trovato.

Da un punto di vista quantitativo sono state fatte delle ipotesi di prestazioni delle singole parti dell’apparato che si descrive:

- efficienza di captazione della luce di circa il 10%;

- efficienza di trasporto della luce dal captatore ai diffusori di luce, via fibra ottica polimerica, di circa 80%;

- efficienza di fotoconversione da energia luminosa ad energia elettrica accumulata in batteria (nel caso di utilizzo di dispositivi fotovoltaici per accumulo di energia) pari al 15% (facendo riferimento allo stato dell'arte dei pannelli fotovoltaici al silicio).

Inoltre i tre esempi seguenti considerano un irraggiamento luminoso diverso a seconda delle condizioni ambientali:

- spettro solare di tipo AM1.5g (come usuale in applicazioni con energia solare) cui corrispondono un illuminamento di circa 100.000 lux (100.000 lumen/mq) e una intensità luminosa di circa 1000 W/mq, nel caso in cui il dispositivo sia esposto alla luce diretta del Sole;

- spettro solare di profilo AM1.5g ma ridotto di un fattore 0.15, corrispondente ad un illuminamento di circa 15.000 lux (15.000 lumen/mq) e una intensità luminosa di circa 150 W/mq, nel caso in cui il dispositivo sia esposto alla luce diffusa del Sole in una giornata di cielo sereno;

- spettro solare di profilo AM1.5g ma ridotto di un fattore 0.30, corrispondente ad un illuminamento di circa 30.000 lux (30.000 lumen/mq) e una intensità luminosa di circa 300 W/mq, nel caso in cui il dispositivo sia esposto alla luce diffusa del Sole in una giornata di cielo coperto da nuvole (senza nebbia);

- Illuminazione nulla al di fuori delle ore diurne.

ESEMPIO 1 - luci di posizione e anabbaglianti di un'automobile:

Le luci di posizione di un'automobile sono di colore bianco (temperatura di colore di circa 3500 K nel caso di lampadine alogene o di circa 5500 K nel caso di illuminazione a LED), hanno in'intensità luminosa di circa 300 lumen ed un assorbimento di potenza elettrica di 5-10W a seconda del tipo di lampadina impiegata.

Immaginando di alloggiare il dispositivo di raccolta della luce sul tetto dell'automobile, si può disporre della luce incidente su circa 1 mq di superficie.

Secondo le ipotesi di illuminazione di cui sopra, il livello di illuminazione di 300 lumen è sempre garantito durante le ore del giorno, persino nel caso di luce diffusa in cui si dispone di (100.000 * 0.15)lumen * (0.1 * 0.8) = 1200 lumen. Inoltre è ampiamente superato in caso di illuminazione diretta, potendo disporre di circa 8.000 lumen.

L'abbondanza di luce naturale che si realizza in condizioni di luce solare diretta può essere sfruttata per un accumulo di energia da riusare in assenza di luce durante la notte, o durante l'attraversamento di gallerie o altre circostanze simili di mancanza di luce naturale. Per esempio, 5 minuti di esposizione ai raggi solari diretti, o 15 minuti di luce solare diffusa in una giornata invernale di cielo coperto, consentono l'accumulo di energia elettrica nella misura di circa 1000*(0.1*0.8)*0.15*(5/60)Wh = 1 Wh, sufficienti per percorrere una galleria stradale lunga circa 1Km (alla velocità di 60 Km/h) tenendo accesa una lampada da 10W di potenza elettrica.

Da questi calcoli deduciamo che è ragionevole immaginare la possibilità di realizzare le luci di posizione di un'automobile mediante l'utilizzo della sola luce del Sole (eccezion fatta per casi estremi di utilizzo del tipo in cui l'automobile venisse usata solo di notte e mai lasciata alla luce del Sole durante il giorno).

Deduciamo anche l'utilità di un tale apparato applicato alle luci anabbaglianti. Difatti, nelle ore diurne si raggiungono i livelli di illuminazione richiesta (circa 1500 lumen) e il problema dell'illuminazione nelle ore notturne può essere affrontato mediante l'accumulo di energia elettrica durante le ore del giorno. Per esempio, 2 ore di esposizione alla luce diretta del Sole consentono di tenere accese delle lampade artificiali da 50W per circa un'ora.

ESEMPIO 2 - illuminazione della cabina di una barca:

Tipicamente, un'imbarcazione ha una vasta superficie esposta ai raggi del Sole, mentre all'interno entra poca luce ed è richiesto l'uso di illuminazione artificiale. Una barca di dimensioni medie, per esempio di 12 metri di lunghezza, ha una cabina di circa 10 mq. Per illuminare tale cabina ad un livello luminoso confortevole (un illuminamento di 300 lux), sono necessari circa 3000 lumen. Secondo gli argomenti svolti all'esempio 1, tale livello di illuminazione è garantito dall'uso di 2 mq di concentratore solare, anche in condizioni di cielo coperto.

ESEMPIO 3 - illuminazione della fusoliera di un aereo:

Un aereo, eccezion fatta per quelli amatoriali, viaggia sopra le nuvole perciò si trova sempre alla luce diretta del Sole (nelle ore diurne). La fusoliera è parzialmente illuminata da finestrelle e la luce naturale filtrata dalle finestre all'interno della fusoliera è integrata da lampade artificiali. Si trovano inoltre sempre accese luci di posizione e segnalazione sia interne all'aereo che esterne. Si può sfruttare la luce del Sole che incide sulle ali. La superficie delle ali, rispetto a quella interna della fusoliera, è circa la stessa. Ovviamente dipende dal tipo di aereo e parte di questa non è usabile per alloggiarci alcunché, comunque una notevole estensione dell'ala è usabile per essere equipaggiata con concentratori solari del tipo indicato nel presente trovato.

Nella figura 4, il riferimento 1 indica uno specchio che riflette la luce solare che ha eventualmente attraversato il dispositivo senza essere assorbita, il riferimento 2 indica la fibra ottica che trasporta ai punti luce la luce raccolta lungo il perimetro del dispositivo, mentre il riferimento 3 è il piano del dispositivo stesso.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI: 1. Apparato d'illuminazione a luce solare per mezzi di trasporto, caratterizzato dal fatto di comprendere, in combinazione: - almeno un concentratore solare di tipo luminescente costituito da lastre di materiale trasparente di basso costo, come plastica o vetro, nelle quali opportuni coloranti fluorescenti sono internamente dispersi o depositati sulla superficie per assorbire parte della luce solare e riemetterla all’interno della lastra dopo averne spostato la lunghezza d'onda, in modo da concentrarla ai bordi perimetrali sfruttando il fenomeno della riflessione interna totale; e - una o più fibre ottiche intestate ai bordi perimetrali del concentratore per trasportare direttamente la luce solare concentrata dal concentratore al punto di utilizzo finale.
2. 2. Apparato d'illuminazione secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto punto di utilizzo della luce solare può essere per esempio i fanali di un autoveicolo, le luci di posizione di un automezzo, la cabina interna di un'imbarcazione, l'interno di un vagone ferroviario, ecc.
3. 3. Apparato d'illuminazione secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che ciascun punto di utilizzo finale prevede ulteriormente una sorgente di luce artificiale attivabile qualora la luce solare fosse non disponibile o troppo fioca, per esempio durante la notte.
4. 4. Apparato d'illuminazione secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che prevede un dispositivo elettronico per misurare la quantità di luce solare in uscita dalla fibra ottica e attivare/disattivare, quando necessario, la sorgente di luce artificiale.
5. 5. Apparato d'illuminazione secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta sorgente di luce artificiale è costituita da almeno una lampada a LED, che è particolarmente indicata grazie alla sua buona efficienza energetica e alla sua veloce risposta luminosa all'accensione elettrica.
6. 6. Apparato d'illuminazione secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta sorgente luce artificiale è alimentata tramite le apparecchiature elettroniche di bordo.
7. 7. Apparato d'illuminazione secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta sorgente luce artificiale è alimentata tramite una batteria elettrica ricaricabile collegata ad un dispositivo fotovoltaico alimentato dalla luce emessa dal concentratore solare quando la luce solare non serve per illuminare, per esempio quando il veicolo è in stazionamento (e.g. automezzo posteggiato).