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La Gravity Light

Etude

Etude énergétique de la Gravity Light

Mise en situation

Dans le monde, près d’une personne sur sept n’a

toujours pas accès à l’électricité. Pour pouvoir s’éclairer, la

majeure partie d’entre eux est contrainte de se tourner vers

un véritable fléau méconnu, j’ai nommé la lampe à

kérosène.

Le principe est simple : un récipient, du kérosène, une

mèche. Les retombées le sont un peu moins :

Niveau santé, ce type de lampe dégage une fumée toxique. La respirer équivaut à fumer 40 cigarettes par jour! Le kérosène est aussi un poison qui attaque la peau.

Niveau sécurité : artisanale et instable, elle est responsable de plusieurs millions de brûlures graves et d’incendies chaque année.

Niveau économie, le kérosène coûte cher. L’utiliser pour s’éclairer consomme en moyenne 30% des revenus d’un foyer. Il crée un cercle vicieux en entretenant la pauvreté qui pousse à l’utiliser…

Niveau environnemental, le bilan n’est pas meilleur. Les lampes à kérosène sont à l’origine de 3% des émissions de CO2 mondiales…

C’est pour lutter contre ce fléau qu’est née la Gravity Light.

En 2009, les designers Martin Riddiford et Jim Reeves relèvent un défi. Ils veulent créer un concept de

lampe solaire low cost apportant de la lumière pour moins de 3$ / jour.

Mais l’énergie solaire est bien trop contraignante. Instable, elle repose sur une exposition au soleil parfois

impossible ou intermittente – en cas de mauvais temps ou de nuages de cendres volcaniques par exemple

(si, si, je suis sérieux…). Elle doit donc être stockée lorsqu’elle peut être produite, pour être utilisée plus

tard. Or qui dit stockage dit pertes énergétiques et technologie coûteuse et fragile. Et le prix des panneaux

solaires a de quoi faire rougir. Surtout dans les pays défavorisés…

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Ils décident alors de prendre le taureau par les cornes. Il faut aller plus

loin que l’énergie solaire. Il leur faut une nouvelle énergie

immédiatement utilisable, stable, sûre et facile d’accès…

Les deux designers se tournent alors vers le principe de la dynamo. Une

dynamo est un appareil qui produit de l’électricité en faisant tourner une

bobine à proximité d’un aimant. Vous la connaissez sûrement! On en

trouvait sur les vélos il n’y a pas si longtemps.

Le principe de la Gravity Light est alors tout simple : un sac, une dynamo

et une courroie!

L’utilisateur accroche la Gravity Light en hauteur (1m80) et suspend à la courroie un sac de 12 kg de

contenu quelconque. La gravité attire le sac vers le sol, déroulant ainsi la courroie qui entraîne la dynamo.

L’électricité produite alimente directement une LED, et la lumière fut!

Un jeu d’engrenages transforme le mouvement très lent du poids en mouvement rapide de la dynamo.

Le résultat : le sac met près de 20 minutes à descendre, offrant autant de temps d’éclairage. Et lorsque le

sac touche le sol? On le remonte, et c’est reparti!

La Gravity Light produit 5 fois plus de lumière qu’une lampe à kérosène artisanale.

Elle fonctionne quelle que soit la météo ou les conditions extérieures

Elle est entièrement sécurisée, et ne dégage aucune substance toxique.

Extrêmement résistante, elle supporte des températures extrêmes et relâche automatiquement le poids en cas de surcharge.

La poulie permet de soulever le sac de 12kg comme s’il ne pesait que 3kg. La lampe peut donc être opérée par tous sans aucune formation : grands, petits, vieux, jeunes, enfants…

Elle ne nécessite aucun consommable !

N’importe quel élément (sable, terre, eau…) peut faire office de poids et ses différentes pièces d’usure, comme les crochets et courroies, sont aisément remplaçables.

La lampe peut aussi servir à alimenter de petits appareils (radio, téléphone…). On peut aussi y brancher une SatLight, lampe externe permettant de fournir un éclairage localisé partout dans la pièce!

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Website : https://gravitylight.org/

Visionnez la vidéo « National Géographic – Gravity Light »

Question 1 : En quoi la Gravity light s’inscrit-elle dans une démarche de

transition énergétique.

Analyse fonctionnelle interne

Comment ça marche

GravityLight est alimentée par la chute d'un poids.

Lorsque le poids descend, il fait tourner un train d'engrenages, entraînant le moteur qui alimente les DEL.

GravityLight n'a pas besoin de piles ni de la lumière du soleil et ne coûte rien pour fonctionner. Il ne faut

que quelques secondes pour soulever le poids qui alimente GravityLight, créant ainsi plusieurs minutes

de lumière dans sa descente.

Remplissez le sac de poids (9 kg)

Soulevez le sac en utilisant le cordon orange

Le sac tombe lentement en créant de la lumière

Lorsque le sac atteint le sol, il peut être soulevé à nouveau.

Le poids est soulevé par une personne tirant sur le cordon orange. Un système de poulie permet de réduire de 4 fois le poids soulevé. Une fois soulevé, le poids tombe alors très lentement.

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Ce mouvement entraîne un pignon d'entraînement qui tourne très lentement avec un couple élevé

(force de rotation). Un train d’engrenage épicycloïdal en polymère transforme ce mouvement d’entrée

en un mouvement de rotation à haute vitesse et à faible couple qui entraîne un générateur à courant

continu à environ 1600 rotations par minute.

Cela génère environ un dixième de watt pour alimenter la DEL intégrée et deux DEL SatLight. Ensemble,

ils produisent une lumière plus de 5 fois plus brillante qu'une lampe à pétrole à mèche ouverte typique.

Une fois que le sac lesté a atteint le sol, il est simplement soulevé pour répéter le processus.

Activité : Suspendez la gravity light et chargez le sac avec les poids mis à disposition (9kg).

Remonter le poids et mesurez la distance entre le sol et le sac.

Lâchez le poids et chronométrez le temps de chute du sac. Que se passe-t-il ? Le poids va mettre

plusieurs minutes à tomber, n’intervenez plus sur le système pour ne pas fausser la mesure et

continuez les questions le temps qu’il atteigne le sol.

Soyez attentif au moment où le sac touche le sol et arrêtez le chronomètre lorsque la LED s’éteint.

1. Analyse fonctionnelle interne

Question 1 : Retrouvez le nom de chaque composant du système

Question 2 : Complétez le diagramme des cas d’utilisations :

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Question 3 : Complétez le diagramme FAST du système

Question 4 : Complétez la chaine d’énergie en replaçant les solutions technologiques ainsi qu’en

détaillant le type d’énergie

FP1 : Produire de la

lumière

FT1 : Allumer la Led FT1.1 : Faire descendre

le poids

FT1.1.1 : Ranger les poids

FT1.1.2 : Transmettre la

force du poids

FT1.2: Adapter l’énergie

mécanique

FT1.2.1 : Transformer le

mouvement de translation

en rotation

FT1.2.2 : Augmenter la

vitesse de rotation

FT1.2.3 : Transmettre le

mouvement au générateur

FT1.3: Convertir l’énergie FT1.3.1 : Convertir

l’énergie mécanique en

énergie électrique

FT1.3.2 : Convertir

l’énergie électrique en

lumière

FT1.4 : Remonter le

poids

FT1.4.1 : Permettre à

l’utilisateur de remonter le

poids

FT1.4.2 : Faciliter l’effort

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Energie d’entrée : le poids

Dans cette partie vous serrez attentifs à la chute du poids. Relevez le temps de

chute du poids.

Question 5 : Rappelez l’équation de l’énergie potentielle de pesanteur. Calculez

cette énergie. Donnez le résultat en Joules puis en W.h

Question 6 : Calculez la vitesse de chute du sac.

Question 7 : Calculez la puissance mécanique du sac.

Question 8 : A partir de cette puissance mécanique, calculez l’énergie mécanique en fonction du temps

de chute du poids. Comparez cette valeur avec l’énergie potentielle de pesanteur.

Conclure

Energie électrique

Nous allons maintenant nous intéresser à la partie éclairage de la Gravity Light.

Ouvrez la fiche technique de la Gravity light.

Cahier des charges

Tension nominal : 2,7V

Courant Max : 0.031A

Puissance électrique max : 0.085W

Luminosité : 15 lm

Coefficient de luminosité : 208 lm/W

Activité : Mettez en marche la Gravity light avec les poids mis à disposition. Branchez le câble jack

instrumenté pour connecter le Satlight.

L’accessoire Satlight permet d’éclairer une zone plus précise choisi par l’utilisateur. Il peut fonctionner sur

3 modes :

Forte luminosité

Moyenne luminosité

Eteint

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Question 9 : Eteignez le SatLight lorsque le système est en charge. Que se passe-t-il ? Expliquez vos

observations.

2. Prise de mesure

Le multimètre est un appareil permettant de mesurer des tensions et des intensités.

Voir fiche ressource : « Fonctionnement d’un multimètre. »

Question 10 : Sur le schéma ci-dessous, représentez le branchement du voltmètre et celui de

l’ampèremètre.

Appelez le professeur avant de faire votre câblage.

Activité : mesurer la tension aux bornes du Satlight et le courant parcouru par le circuit. Comparer

ces valeurs avec celles du cahier des charges

1. Rendement

Question 11 : Calculez la Puissance électrique. Comparer avec la puissance donnée dans le cahier des

charges. Expliquer les écarts.

Question 12 : Calculer l’énergie électrique consommée par le système pour un cycle d’utilisation.

Question 13 : Calculer le rendement global de la transformation énergétique de la Gravity Light.

Commentez ce rendement.

Question 14 : Sachant que le rendement de ce générateur électrique est de 83%, calculer le rendement

du train d’engrenage.

Question 15 : Un téléviseur moderne en fonctionnement consomme une puissance de 140W. Calculer

l’énergie consommée lorsque vous regardez un film d’1h45min. Combien de fois faudrait-il remonter la

gravity light pour produire cette énergie.

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Luminosité

1. Lumen (lm) : unité de puissance lumineuse

Le lumen est une unité de mesure du flux lumineux (symbole lm). Le flux lumineux est une mesure de la

quantité totale de rayonnement visible émis par seconde par une ampoule ou une lampe. Ainsi, « un

lumen est le flux lumineux capté par une surface de 1 mètre carré située à 1 mètre d’une source

lumineuse ayant une intensité lumineuse d’une candela ».

La candela (luminosité d’une bougie) est une unité d’intensité lumineuse dans une direction donnée. En

effet, l’intensité de la lumière est influencée par l’angle de la lumière.

Lux (lx) : unité de mesure d'éclairement

Le lux est une unité de mesure de l'éclairement lumineux (symbole lx). Il caractérise le flux lumineux reçu

par unité de surface : « un lux est l’éclairement d’une surface qui reçoit, d’une manière uniformément

répartie, un flux lumineux d’un lumen par mètre carré ».

1 lux = 1 lumen / m2

Ainsi, à titre d'exemple, une source lumineuse de 500 lm illumine 1 mètre carré avec 500 lx.

Lm, Lx et W

Avec les anciennes technologies, comme les ampoules à incandescence, la puissance en watts (W)

donnait une indication sur la puissance d’éclairage car la quantité de lumière émise était proportionnelle

à l’électricité extraite :

25 W = 220-250 lumens (lampe de chevet) 40 W = 410-470 lumens (lampe de bureau) 60 W = 700-810 lumens (WC, couloir) 75 W = 920-1060 lumens (lampe de chambre) 100 W = 1300-1530 lumens (lampe de cuisine, plafonnier du salon ou du bureau)

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Néanmoins, avec les ampoules modernes, et notamment celles équipées de la technologie LED, avec un

rendu lumineux amélioré, les watts ne permettent plus d’avoir une idée précise de la puissance

d’éclairage. Pour parer à cela, il est nécessaire de se renseigner sur la quantité de lumens émis. Sachant

qu’à production de lumière équivalente, une ampoule LED consomme de 5 à 10 fois moins d’électricité

qu’une ampoule incandescente (~6 W au lieu de 40 W). Et une ampoule fluocompacte (dite "économe")

consomme 5 fois moins qu’une ampoule incandescente (~8 W au lieu de 40 W).

Voici un tableau de correspondance entre les Watt des ampoules LED

Activité : A l’aide du luxmètre, mesurer la valeur d’éclairement. Commenter le résultat.

En générale, un architecte recommande ce type d’éclairage pour un foyer :

Question 17 : Comparez l’éclairage moyen recommandé par les architectes avec l’éclairage fourni par la

Gravity light. Combien de Gravity Light faudrait-il pour éclairer convenablement d’après nos standards une

chambre à coucher. Commentez ce résultat et justifier l’utilité de la Gravity light en fonction de son

contexte.

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Transformation de mouvement

Le mouvement du sac est transformé grâce à un train épicycloïdal.

Consulter la fiche ressource « train d’engrenage » ainsi que la vidéo sur le train épicycloïdale. A l’aide

du professeur, démonter le train d’épicycloïdale

Question 20 : Complétez les légendes avec les éléments ci-dessous :

Grande poulie - Satellites - Couronne– Petite Poulie - Porte satellites – Planétaire – Courroie

Train épicycloïdale

Question 21 : Comptez le nombre de dents de chaque éléments et reportez les dans ce tableau

Elément Nombre de dents (Z)

Couronne

Pignon Satellite

Satellite

Pignon planétaire

Roue dentée planétaire

Pignon Poulie

Question 21 : Calculez le rapport de réduction re du train d’engrenage.

A. B. C. D.

G.

F. E.

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Vitesse de rotation

Pour déterminer la vitesse de rotation Ω d’une pièce il faut connaitre le rayon et la vitesse linéaire :

V=Ω*R

V : vitesse en m/s

R= rayon en m

Ω= vitesse de rotation en rad/s

Question 22 : Tracer sur le schéma ci-dessous le vecteur vitesse au centre de gravité du sac.

Question 22 : Calculez la vitesse de rotation de la couronne planétaire.

Question 23 : Grâce au rapport de réduction, déterminez la vitesse de rotation de la grande poulie.

Question 24 : Mesurer le diamètre de la grande poulie et de la poulie moteur. Puis remontez le système.

Question 25 : Vérifiez la vitesse de rotation de la grande poulie expérimentalement avec un tachymètre.

Charger le sac avec les poids (9kg) et laissez tourner le train d’engrenage. Comparer cette valeur avec

celle trouvé à la question d’avant.

Système Poulie-courroie.

Question 26 : Grâce aux diamètres des poulies calculez le rapport de réduction rp du système poulie-

courroie.

Question 27 : Calculez le rapport de réduction rg globale du système de transformation de mouvement

Question 28 : Déterminez la vitesse de rotation à l’entrée du générateur.