Projet STI2D - Dossier Eclairage parking PDF

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Summary

Aujourd’hui, le parking du lycée est éclairé juste par deux bornes lumineuses au sol peu efficaces. La visibilité est médiocre. L’accès au parking pour retrouver sa voiture est difficile quand il fait nuit. Ces deux bornes lumineuses sont alimentées par le réseau EDF.
Elles sont gérées par une...

Description

Baccalauréat technologique – Série STI 2D Session 2014 Epreuve de projet en enseignement spécifique à la spécialité

Eclairage autonome pour le parking du Lycée Les Pierres Vives * Dossier de soutenance finale

Candidat : Romain PELTIER Professeur référent : M. RAOUAK Lycée Les Pierres Vives 1, rue des Alouettes 78420 Carrières sur Seine (Yvelines)

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Table des matières 1. Conception préliminaire.....................................................................................3 1.1 Le contexte actuel................................................................................................................. 3 1.2 Architecture existante de la chaîne d’énergie....................................................................... 3 1.3 Performances de l’éclairage existant.................................................................................... 3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

Le besoin - à qui sert le système ?....................................................................................... 4 La fonction - à quoi sert le système ?................................................................................... 4 Précisions sur le contexte..................................................................................................... 4 Cahier des charges - fonctionnement et performances envisagés.......................................4 Limite de l’étude.................................................................................................................... 4 Fonction principale et fonctions contraintes..........................................................................5

2. Répartition des tâches et planification.............................................................5 2.1 L’équipe projet et la répartition des tâches............................................................................ 5 2.2 Diagramme des exigences et répartition équipe projet.........................................................5 2.3 Planning du projet................................................................................................................. 6

3. Conception détaillée...........................................................................................6 3.1 Diagramme BDD................................................................................................................... 6 3.2 Diagrammes IBD de la commande et de l’éclairage.............................................................6 3.3 Chaîne d’énergie de l’éclairage du parking...........................................................................7 3.4 Recherche sur les différentes solutions existantes sur le marché.........................................7 3.4.1 Types de lampes.........................................................................................................................7 3.4.2 Comparatif.................................................................................................................................. 7 3.4.3 Le type de lampe LED................................................................................................................ 8

3.5 Simulation du comportement de l’éclairage du parking.........................................................8 3.5.1 Simulation Dialux avec 3 types de luminaires LED....................................................................8 3.5.2 Conclusion des simulations........................................................................................................8

3.6 Choix de la solution la plus pertinente.................................................................................. 9 3.6.1 Lampe LED................................................................................................................................. 9

3.7 Commande de l’éclairage..................................................................................................... 9

4. Prototypage, tests et validation......................................................................10 4.1 Prototypage validant la solution choisie.............................................................................. 10 4.2 Protocole de mesures et essais permettant de vérifier la solution......................................11

5. Retour sur investissement du nouveau système d’éclairage......................11 5.1 Retour sur investissement du système complet..................................................................11

6. Impact environnemental du nouveau système d’éclairage.........................12 6.1 Impact sur l’environnement écologique de la lampe LED...................................................12 6.2 Classe énergétique de la LED............................................................................................ 12 6.3 Impact sur la santé humaine de la lampe LED....................................................................13

7. Conclusion.........................................................................................................13 8. Remerciements...................................................................................................13

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1.

Conception préliminaire

1.1

Le contexte actuel

Aujourd’hui, le parking du lycée est éclairé juste par deux bornes lumineuses au sol peu efficaces. La visibilité est médiocre. L’accès au parking pour retrouver sa voiture est difficile quand il fait nuit. Ces deux bornes lumineuses sont alimentées par le réseau EDF. Elles sont gérées par une horloge et s’allument et s’éteignent automatiquement en fonction des heures de déclenchement. Elles sont en fonctionnement continu durant la plage horaire définie.

1.2

Architecture existante de la chaîne d’énergie

1.3

Performances de l’éclairage existant

Le parking du lycée est équipé de deux bornes lumineuses. Elles se situent à chaque extrémité du parking (voir plan parking ci-dessous). Elles ont chacune une puissance de 90 watts. On a donc une puissance totale de 180 watts. Pour disposer de plus de détails sur les performances initiales, j’ai étudié ci-contre les performances initiales de l’éclairage du parking avant l’optimisation. J’ai à cet effet utilisé le logiciel Dialux. Dialux est un logiciel gratuit qui permet facilement de simuler des éclairages professionnels, aux effets impressionnants. Il peut être téléchargé à l’adresse suivante : http://www.dial.de/DIAL/fr/dialux/telechargement.html

D’après la simulation Dialux, l’éclairage moyen est de 1,4 lux, ce qui est très faible, et bien loin de l’objectif d’au moins 10 lux fixé pour l’éclairage autonome à mettre en œuvre.

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1.4

Le besoin - à qui sert le système ?

Notre système devra assurer un éclairage de nuit lorsque du personnel ou des professeurs seront présents sur le parking.

1.5

La fonction - à quoi sert le système ? Notre projet aura pour but de développer un système d’éclairage autonome sur le parking du lycée Les Pierres Vives. Ce système sera totalement indépendant du réseau électrique EDF. Pour cela on utilisera des énergies renouvelables. Ce système agira sur les degrés d’éclairage du parking, sans action humaine. Il permettra d’assurer un éclairage suffisant quand il y en aura besoin, sans augmenter la facture liée à l’électricité et sans raccordement au réseau EDF.

1.6

Précisions sur le contexte

Ce projet s’inscrit dans le cadre du Grenelle de l´environnement. Il devra respecter les 4 contraintes suivantes :  ÉCOLOGIQUE : le système doit utiliser l’énergie solaire et l’énergie éolienne.  AUTONOME : le système est sans raccordement électrique, l’énergie solaire et éolienne emmagasinée le jour permet une utilisation fiable et continue la nuit.  ÉCONOMIQUE : des coûts d’installation réduits, plus de facture d’électricité, peu d’entretien.  PUISSANT : le système devra offrir une qualité d’éclairage adaptée à une utilisation à la fois en zone urbaine et isolée.

1.7

Cahier des charges - fonctionnement et performances envisagés

Le système devra fournir un éclairage entre 10 et 20 lux, être autonome donc totalement indépendant du réseau électrique EDF. Aucune action humaine ne devra être nécessaire pour gérer les niveaux d’éclairage du parking. L’éclairage devra être juste suffisant quand ce sera nécessaire. L’éclairage ne sera pas en continu. Notre projet est basé sur des critères économiques, esthétiques et environnementaux. Il devra ne pas coûter trop cher, être rentable pour le lycée, être esthétique aux yeux de l’utilisateur c’est à dire le personnel ; il devra aussi être respectueux de l’environnement.

1.8

Limite de l’étude On ne travaillera pas sur toute la surface du parking, mais juste sur le centre du parking c'est-à-dire un espace rectangulaire de 500 m² (longueur 50m x largeur 10m). Il faut tenir compte de la norme française NF C15-100, afin de protéger l'installation électrique et les personnes, de garantir un confort de gestion et d’usage, et l’évolutivité du système.

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1.9

Fonction principale et fonctions contraintes D’après le diagramme pieuvre : La fonction principale de l’éclairage autonome est d’éclairer la zone proche de l’utilisateur. Les fonctions contraintes sont :  d’alimenter l’éclairage autonome en énergie,  de résister aux milieux ambiants,  de répondre aux normes de sécurité,  de répondre aux critères environnementaux,  de répondre aux critères esthétiques.

2.

Répartition des tâches et planification

2.1

L’équipe projet et la répartition des tâches

Nous sommes un groupe de quatre élèves à travailler sur ce projet.  Paul LANTERI travaille sur le développement d’un système de production d’énergie renouvelable. Cette production d’énergie se fera à l’aide d’une éolienne.  Raphaël FLORENTIN travaille aussi sur le développement d’un système de production d’énergie renouvelable. Cette production d’énergie se fera quant à elle à l’aide de panneaux solaires.  Thierry VOVE est chargé de stocker cette énergie ainsi que d’assurer la commande de l’éclairage. 

2.2

Je suis chargé d’étudier toutes les lampes possibles et disponibles sur le marché, afin de choisir celle qui répondra le mieux à toutes les contraintes du projet. Cet éclairage devra être le meilleur possible pour le système. Je suis aussi chargé de la mise en place de la commande de l’éclairage afin d’assurer un éclairage autonome.

Diagramme des exigences et répartition équipe projet Légende En rouge : Romain En noir : Thierry En vert : Raphaël En orange : Paul

2.3

Planning du projet

Voici le diagramme Gant qui restitue les différentes étapes de notre projet dans le temps : Page 5

3.

Conception détaillée

3.1

Diagramme BDD

3.2

Diagrammes IBD de la commande et de l’éclairage

Voici le BBD (Diagramme bloc) de notre système. Il permet de voir les entrées et sorties des différents blocs, ainsi que les transformations d’énergie qui se passent dans chaque bloc. La partie du système dont j’ai la responsabilité est modélisée avec les blocs verts. Notre système est autonome et doit gérer l’énergie qui lui est fournie. C’est pour cela qu’on utilise un détecteur qui gère la commande. La commande met en marche l’éclairage quand le capteur TOR (tout ou rien) détecte une présence et aucune luminosité. De l’énergie électrique alternative est alors fournie au bloc éclairage, qui est ensuite convertie en énergie lumineuse ; cette énergie lumineuse est alors diffusée.

Voici les deux IBD (Diagrammes bloc interne), celui de la commande ainsi que celui de l’éclairage :

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3.3

Chaîne d’énergie de l’éclairage du parking

3.4

Recherche sur les différentes solutions existantes sur le marché

3.4.1

Types de lampes

J’ai dans un premier temps cherché toutes les familles de lampes disponibles sur le marché et fait une étude pour voir quelle serait la meilleure, celle qui correspondrait le plus au système. Mes recherches m’ont indiqué quatre familles de lampe :    

les lampes incandescentes, les lampes fluo compactes, les lampes halogènes, les lampes LED.

3.4.2

Comparatif

Ci-après un comparatif des caractéristiques de ces types de lampe, afin de déterminer quelle lampe conviendrait le mieux à notre système : Durée de vie

Incandescente

Halogène

Fluo compacte

LED

1000 à 2000 h

2000 à 4000 h

6000 à 8000 h

40000 à 100000 h

Prix

Faible

Elevé

Elevé

Elevé

Consommation énergétique

Elevée

Elevée

Faible

Faible

80 W

75 W

13 W

11 W

Rendement

Très mauvais

Moyen

Bon

Très bon

Recycla Recyclable ble

NON

NON

93%

98%

Allumage instantané

OUI

OUI

NON

OUI

Sensibilité à la répétition d'allumage

OUI

OUI

OUI

Résiste a la chaleur mais

Pas adapté à un milieu

NON Résistance aux vibrations, aux chocs, au froid et à la

tres peu aux chocs

extérieur

Produit 25% de lumière

Produit 70% de lumière pour 30% de chaleur Faible

chaleur Incassable Produit 80% de lumière pour 20% de chaleur Très faible NON

Exemple de consommation pour 700 lumen

Résistance / Solidité

Dégagement de chaleur

Aucune

Très élevé Elevée

pour 75% de chaleur Elevé

Emission UV

NON

OUI

OUI

Rayonnement élect électromagnétique romagnétique

NON

OUI

OUI

NON

Impact sur l'environn l'environnement ement

Elevé

Moyen

Faible

Faible

Argon Krypton

Gaz halogène

Mercure

Aucun

Lumière chaude

Vive et brillante

Douce

Couleurs pures, reposantes

Perte calorif calorifique ique

Gaz inerte Style d'éclair d'éclairage age

D’après ce tableau, la lampe LED est clairement la lampe qui répond le mieux et de loin au besoin. La solution retenue pour la partie du système d’éclairage que je gère est donc la lampe LED.

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3.4.3

Le type de lampe LED

La lampe LED existe sous plusieurs formes d’éclairage. Une étude comparative de Philips présente 3 types de lampadaire LED :  Le projecteur,  Le luminaire en top sur mât,  Le luminaire d’éclairage de la voie publique. Philips associe à chaque lampe un dispositif de référence pour placer les lampadaires sur un parking extérieur. On voit sur ces schémas que la solution la plus appropriée est l’utilisation de luminaire en top sur mât car à vue d’œil, c’est sûrement la solution qui présente un éclairage mieux reparti, comparé aux luminaires d’éclairage de la voie publique. Les projecteurs ne sont pas une bonne solution, car il en faut beaucoup pour éclairer le parking. Mais une analyse à vue d’œil ne suffit pas pour justifier un choix de solution ; je la justifie donc par une simulation grâce au logiciel Dialux.

3.5

Simulation du comportement de l’éclairage du parking

Je rappelle ici que la surface rectangulaire du parking à éclairer est de 500 m² (50 x 10). 3.5.1

Simulation Dialux avec 3 types de luminaires LED

(*1*)

(*2*)

(*3*)

(*1*) simulation Dialux avec 4 luminaires LED d’éclairage de voie publique (*2*) simulation Dialux avec 4 projecteurs LED (*3*) simulation Dialux avec 4 luminaires LED en top sur mât

3.5.2

Conclusion des simulations

En m’appuyant sur ces trois simulations, j’observe que le luminaire en top sur mât est la solution la plus pertinente car tout le parking est éclairé. Il n’y a pas de zone non éclairée comme avec le projecteur LED ou le luminaire LED d’éclairage de la voie publique.

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3.6

Choix de la solution la plus pertinente

3.6.1

Lampe LED

Je dois chercher à présent la bonne lampe qui permettra d’avoir un éclairage moyen entre 10 et 20 lux. Cette lampe est disponible sous plusieurs variantes. Il faut trouver la bonne variante afin de respecter les contraintes notamment celle d’avoir un éclairage entre 10 et 20 lux. J’ai porté mon choix sur la lampe LED en top sur mât ; elle a les caractéristiques suivantes :        

Couleur de la lumière : 740 [blanc froid] Puissance : 33 W Flux lumineux : 3227 Lumens Durée de vie : 70000 heures Nombre de sources lumineuses : 16 Hauteur du mât : 4 m Prix du lampadaire : 1500 € Prix de la lampe LED : 120

La simulation Dialux de cette lampe donne le résultat cicontre. On constate que Emoy = 13 lux. La contrainte d’un éclairage moyen sur la surface du parking entre 10 et 20 Lux est donc respectée.

3.7

Commande de l’éclairage

Un détecteur de mouvement est utile, car il permet de disposer d’une gestion automatisée de l’éclairage. Il permet ainsi de faire des économies importantes d'énergie. Pour que notre système soit autonome, il sera commandé à l’aide de capteurs. Ces sont des capteurs de présence pour détecter l’arrivée d’un individu, ainsi que des capteurs de luminosité pour détecter s’il fait jour ou s’il fait nuit. Les états possibles pour le système seront :  Allumé : s’il fait nuit et si un individu est dans le périmètre délimité par le capteur de présence,  Éteint : s’il fait nuit et s’il n’y a aucun individu dans le périmètre délimité par le capteur de présence,  Éteint : s’il fait jour et s’il y a un individu dans le périmètre délimité par le capteur de présence,  Eteint : s’il fait jour et s’il n’y a aucun individu dans le périmètre délimité par le capteur de présence. Le système d’éclairage s’allume automatiquement quand on passe dans la surface captée et qu’il fait nuit. Cela permet de faire des économies importantes d’énergie, car le système d’éclairage fonctionne uniquement quand c’est nécessaire et non de manière permanente. Je me suis appuyé sur les deux zones de détection définies par Thierry Vove de mon équipe Projet, avec un capteur pour deux lampadaires.

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Si l’individu est dans la première zone, le détecteur laissera passer le courant et les deux lampadaires qui éclairent cette zone, s’allumeront automatiquement. Si l’individu est dans la seconde zone, le détecteur laissera passer le courant et les deux lampadaires qui éclairent cette zone, s’allumeront automatiquement. Voici le schéma électrique du système. Le courant parvient de la phase et du neutre. On a un disjoncteur différentiel de 10A. D’après la norme française NF C15-100, on est contraint d’utiliser un disjoncteur bipolaire différentiel. Il y a les deux détecteurs branchés, chacun à deux lampadaires afin d’avoir notre éclairage par zone.

4.

Prototypage, tests et validation

4.1

Prototypage validant la solution choisie Dernière phase de notre projet, la phase de prototypage. Notre prototype est basé sur une unique zone de détection et donc sur l’usage d’un déte...