Évaluation des systèmes d’éclairage CC

 

Par Andrew Harper et Keith Graeber

16 octobre 2020

La majorité des systèmes de distribution électrique des bâtiments utilisent du courant alternatif (CA) provenant d’un réseau électrique. Cela influence considérablement la conception des appareils à courant continu (CC), y compris les sources lumineuses D.E.L. et les commandes numériques. Avec la prolifération des appareils CC en tant qu’éléments de conception standard dans de nombreuses catégories de technologie du bâtiment, l’intérêt pour les systèmes de distribution d’énergie CC a considérablement augmenté. En théorie, la distribution de courant continu peut augmenter l’efficacité globale du système électrique en éliminant les pertes associées à de multiples conversions CA-CC. Par conséquent, les blocs d’alimentation centralisés qui prennent en charge des charges connectées plus importantes s’avèrent plus efficaces que les blocs d’alimentation distribués lorsqu’ils alimentent la même charge électrique totale.* Cette augmentation de l’efficacité se traduit directement par une consommation d’énergie réduite et des économies de coûts d’exploitation. 

Le California Lighting Technology Center (CLTC) a mené une étude pluriannuelle pour identifier et évaluer les systèmes d’éclairage CC pour les espaces intérieurs commerciaux disponibles sur le marché. Cette étude visait à quantifier les performances électriques des systèmes d’éclairage CC, à valider les affirmations des fabricants et à documenter les avantages / défis dans les scénarios de conception typiques et les scénarios suboptimaux.

L’étude comprenait deux volets : 1) une évaluation du marché des systèmes d’éclairage CC commerciaux, des fabricants et des applications; et 2) une évaluation en laboratoire des systèmes d’éclairage CC représentatifs. 

Au cours de l’évaluation du marché, le CLTC a identifié les systèmes d’éclairage CC commerciaux disponibles et examiné la documentation du fabricant pour comparer leur performance électrique par rapport à un système d’éclairage CA traditionnel. Pour mener l’évaluation en laboratoire, la CLTC a acheté trois systèmes d’éclairage CC représentatifs identifiés lors de l’évaluation du marché. Les systèmes ont été installés dans des conditions de fonctionnement typiques et la performance électrique a été évaluée par rapport à un système d’éclairage CA correspondant. 

Évaluation du marché 

À l’époque de l’étude, le CLTC a répertorié 12 fabricants offrant des systèmes d’éclairage CC dans le commerce. Le CLTC a également contacté plusieurs distributeurs d’éclairage pour déterminer un système d’éclairage AC couramment utilisé et disponible dans le commerce à utiliser comme base de comparaison. 

Les systèmes d’éclairage CC sont classés en deux types: alimentation électrique par Ethernet (PoE, Power-over-Ethernet ) et courant continu à basse tension (LVDC, Low Voltage Direct Current). Les systèmes CC sélectionnés pour cette étude étaient représentatifs du segment des systèmes d’éclairage CC disponibles lors de l’évaluation du marché; les systèmes PoE étant les plus courants. Le CLTC a donc sélectionné deux systèmes PoE et un système LVDC à évaluer par rapport à un système CA traditionnel (tableau 1). Les deux systèmes PoE sélectionnés utilisent le même commutateur d’alimentation à huit canaux de 480 W. Le CLTC a sélectionné les systèmes LVDC et CA pour correspondre approximativement à la même zone desservie par les systèmes PoE. Le choix du système LVDC a également été influencé par la réactivité du fabricant lors de l’évaluation du marché.

Tableau 1. Systèmes d’éclairage sélectionnés pour l’évaluation

L’architecture du système variait selon les systèmes sélectionnés. Les trois systèmes d’éclairage CC se composaient d’une alimentation électrique et de luminaires. De plus, le système du fabricant CC 3 nécessitait un gradateur mural et les deux systèmes PoE (fabricant CC 2 et 3) exigeaient des périphériques de contrôle supplémentaires (ordinateur passerelle et routeur) pour la mise en service et le contrôle. Le système CA de base se composait de huit luminaires avec des pilotes à intensité variable. Les luminaires utilisés avec les systèmes PoE et AC étaient des chemins lumineux DEL encastrés de 2 pi sur 4 pi. Le système LVDC utilisait des luminaires en saillie de 2 pieds sur 2 pieds recommandés par le fabricant CC 1. Ces luminaires ont été choisis pour maximiser la charge sur l’alimentation électrique LVDC tout en respectant le budget de l’étude.

Évaluation en laboratoire

Le CLTC a colligé les mesures permettant de comparer les performances électriques des trois systèmes CC avec celles du système CA de base. Chacun des systèmes d’éclairage CC évalués a été commercialisé comme desservant un «sol / grand espace». Le CLTC a utilisé la modélisation informatique pour estimer cette superficie à 1 750 pieds carrés ou moins en fonction de la taille de l’alimentation CC et de la puissance des luminaires typiques. Les systèmes d’éclairage CC testés fournissaient 8 ou 9 ports (8 pour PoE, 9 pour LVDC) avec une puissance totale allant de 226 à 480 watts. Le CLTC a analysé les performances électriques de chaque système au niveau de l’espace desservi et n’a pas pris en compte les pertes de production ou de transmission se produisant en amont de l’espace lui-même.

L’efficacité électrique globale de chaque système a été calculée comme la puissance de sortie totale du système divisée par la puissance d’entrée du système; l’efficacité idéale étant de 100%, ce qui signifiait aucune perte de puissance. En pratique, la perte de puissance se produit en de nombreux points dans un système d’éclairage. Pour les systèmes CC, les pertes de puissance se composent de 1) des pertes de conversion (à la fois CA-CC et CC-CC), 2) des pertes de périphériques (ordinateurs passerelles, routeurs, etc.) et 3) des pertes en ligne. Pour les systèmes CA, une perte de puissance se produit au niveau du pilote DEL (conversion CA-CC) et au niveau des périphériques, lorsqu’ils sont inclus. Les pertes en ligne pour les systèmes d’éclairage CA sont généralement très faibles. Pour cette évaluation, aucun périphérique de système CA n’a été requis et les pertes en ligne ont été supposées nulles.

Des mesures ont été prises avec des compteurs de laboratoire avant et après chaque point de conversion de puissance dans le système, et au début et à la fin de chaque conducteur ou câble d’alimentation. Les mesures électriques pour cette étude ont été prises dans ce qui pourrait être considéré comme le pire des scénarios pour les systèmes d’éclairage CC. Plus précisément, en utilisant les plus longs chemins de câbles recommandés entre l’alimentation électrique (ou l’interrupteur) et les luminaires. Par la suite, la CLTC a utilisé la modélisation informatique pour calculer des longueurs de câble plus réalistes et l’efficacité du système a été recalculée en conséquence. Pour chaque système, le total de ces pertes a permis de calculer l’efficacité totale du système (équation 1).

Équation 1. Définition de l’efficacité totale du système

 

Résultats 

L’analyse a montré que le système CA traditionnel était plus efficace électriquement que les systèmes CC testés. Dans des conditions de fonctionnement typiques, le système CA avait une efficacité totale de 86% (Figure 1) lorsque les luminaires fonctionnaient à pleine puissance. Les systèmes CC les plus performants fonctionnaient à environ 81% d’efficacité dans les mêmes conditions (en utilisant des longueurs de câble optimisées). Pour les systèmes CC testés, les pertes dues au câblage et aux périphériques nécessaires ont été supérieures aux gains obtenus en centralisant la conversion CA-CC dans une seule alimentation pour le système.

Figure 1. Performances électriques des systèmes CA et CC en utilisant des longueurs moyennes de conducteurs déterminées par modélisation informatique

 

Plusieurs facteurs ont affecté ‘efficacité des systèmes CC. La charge de l’alimentation et la longueur du câble ont le plus affecté leur performance. En raison des pertes en ligne des câbles ethernet standard, l’efficacité du système PoE diminue à mesure que la longueur du câble augmente. Lors d’un fonctionnement avec la longueur maximale recommandée de câble CAT (100 mètres), l’efficacité du système CC a diminué de trois à neuf pour cent supplémentaires par rapport au système CA (Figure 2).

Figure 2. Performances électriques des systèmes CA et CC en utilisant les longueurs de câble maximales recommandées par le fabricant

 

Conclusion

Le CLTC a analysé les systèmes CC jusqu’à 480 Watts de puissance de sortie pour cette étude, et les résultats montrent qu’à cette capacité de puissance, les gains d’efficacité de la conversion à plus grande échelle du CA en CC sont inférieurs aux pertes supplémentaires de puissance attribuables aux conversions CC-CC, aux pertes en ligne et à la charge de l’équipement de commande périphérique. En fait, les pertes de conversion CA-CC constituaient la source la plus élevée de perte de puissance dans chaque système CC par rapport aux autres causes (tableau 2). Il est possible qu’un système d’éclairage CC avec une alimentation électrique centralisée supérieure à 480 watts puisse réaliser suffisamment d’économies d’énergie grâce à sa conversion CA-CC à plus grande échelle pour compenser les pertes de la conversion CC-CC supplémentaire et la puissance de l’équipement de contrôle périphérique. Des tests supplémentaires seront nécessaires pour évaluer cette catégorie de produits.

Tableau 2. Pertes de puissance pour chaque système d’éclairage fonctionnant à charge maximale

Prochaines étapes

Les systèmes d’éclairage CC sont bien adaptés pour une utilisation dans les stratégies émergentes de transmission de puissance CC, ou microréseaux CC. Les microréseaux CC sont capables de fournir de l’énergie directement à partir de ressources renouvelables à l’appareil via un système de stockage d’énergie, éliminant ainsi les pertes de conversion CA-CC. Ces systèmes de microréseaux CC subissent des pertes dues à des inefficacités électriques lors de la charge et de la décharge des dispositifs de stockage électrochimiques. Cependant, ces systèmes de stockage d’énergie assurent la résilience du réseau et continueront d’alimenter le microréseau CC en cas de panne du réseau électrique ou d’une baisse de puissance adéquate provenant des énergies renouvelables. Les recherches futures détermineront si l’utilisation de systèmes d’éclairage CC dans un microréseau CC peut offrir des économies d’énergie significatives par rapport aux systèmes d’éclairage CA traditionnels.

Pour en savoir plus sur cette étude, lisez le rapport complet publié par le Conseil de coordination des technologies émergentes : www.etcc-ca.com/reports/laboratory-evaluation-dc-lighting-systems

Andrew Harper, PE, est ingénieur R&D au CLTC. Son travail se concentre sur l’éclairage CC, les systèmes de contrôle intégrés des bâtiments et les technologies d’éclairage naturel commercial.

Keith Graeber, PE, dirige l’équipe de chercheurs et d’ingénieurs en technologie d’éclairage du CLTC. Il supervise le développement de systèmes et de commandes d’éclairage écoénergétiques de nouvelle génération.

Cet article a été initialement publié dans la parution d’août 2020 de LD + A, publié par l’IES.Il est reproduit ici avec l’autorisation d’UCDavis.

* Thomas, Brinda A., Inês L. Azevedo et Granger Morgan. 2012. «Edison revisité: Devrions-nous utiliser des circuits CC pour l’éclairage des bâtiments commerciaux?» Politique énergétique 45: 399-411. doi: http: //dx.doi. org / 10.1016 / j.enpol.2012.02.048.