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Évaluer le rendement d'un convertisseur

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Objectif

Évaluer le rendement d’une cellule photovoltaïque.

Points clés
  • La formule du rendement, qui s’écrit , est à adapter selon le convertisseur que l’on étudie.
  • En utilisant la relation E = P × Δt, on obtient une autre formule pour trouver le rendement d’un convertisseur : .
  • La puissance électrique d’un convertisseur se calcule en prenant les mesures de la tension aux bornes de ce convertisseur et de l’intensité qui traverse le circuit.
Pour bien comprendre
  • Puissance et énergie
  • Rendement et convertisseur
1. Rappels
Un convertisseur d’énergie est un système qui transforme l’énergie qu’il reçoit en une ou plusieurs autres formes d’énergie.

Une partie de cette énergie transformée est perdue, ou dégradée, car elle est sous une forme non exploitable par la chaine, comme par exemple la chaleur dissipée par des frottements.

Quand on fournit une quantité d’énergie à un convertisseur, seule une partie sera donc utilisable en sortie.

De manière générale, le rendement d’un convertisseur est le rapport de l’énergie utile sur l’énergie absorbée.

avec :
  • ρ le rendement, sans unité ;
  • Eutile et Eabsorbée les énergies utile et absorbée, en joule (J).

Chaine énergétique d’un convertisseur
Remarque
En utilisant la formule E = P × Δt, on retrouve la formule du rendement en fonction des puissances : .
2. La cellule photovoltaïque
a. Présentation de la cellule photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque est un système qui convertit l’énergie qu’il reçoit sous forme de rayonnement de la part du soleil en énergie électrique qu’il fournit à l’habitat.


Principe d’une cellule photoélectrique
b. Chaine énergétique de la cellule photovoltaïque

Dans la chaine énergétique de la cellule photovoltaïque, les transferts d’énergie sont de 3 types :

  • transfert d’énergie par rayonnement en provenance du soleil ;
  • transfert d’énergie thermique par effet Joule (perte de chaleur) vers l’environnement ;
  • transfert d’énergie électrique vers l’habitat.

Chaine énergétique de la cellule photovoltaïque
c. Rendement de la cellule photovoltaïque

Le rendement de la cellule photovoltaïque est égal au rapport de l’énergie électrique fournie à l’habitat par l’énergie solaire reçue pendant la même période.

Dans notre étude, la cellule photovoltaïque va être éclairée par une lampe de puissance égale à 20 W.

Le rendement de la cellule s’écrit de la manière suivante, en l’exprimant en fonction des puissances.

La puissance Plampe de la lampe est connue, il faut donc calculer la puissance électrique Pélectrique fournie à la cellule pour ensuite pouvoir obtenir la valeur du rendement ρ.

Pélectrique = U × i
3. Mesure expérimentale du rendement de la cellule photovoltaïque
a. Matériel

La mesure du rendement de la cellule photovoltaïque nécessite l’utilisation du matériel suivant.

  • 1 cellule photovoltaïque ;
  • 2 multimètres ;
  • Fils de connexion ;
  • Rhéostat (résistance électrique réglable) de 100 W ;
  • Lampe de 20 W.
b. Protocole

En Travaux Pratiques, la mesure du rendement d’une cellule photovoltaïque se réalise selon le protocole suivant.

Étape 1 : Réaliser le circuit électrique.

Brancher le voltmètre aux bornes de la cellule afin de mesurer la tension à ses bornes.

Relier cette cellule à un ampèremètre branché en série avec le rhéostat. L’ampèremètre nous permet de déterminer la valeur de l’intensité qui traverse le circuit. Le rhéostat sert à faire varier l’intensité du courant dans le circuit.

Le schéma du circuit électrique est le suivant.


Schéma du montage
Étape 2 : Mesurer la tension et l’intensité.

Pour chaque valeur de la résistance du rhéostat, on mesure la tension U et le courant i en lisant les valeurs indiquées par le voltmètre et l’ampèremètre.

On place les valeurs dans les 2 premières lignes du tableau ci-dessous.

Tension U (en V)        
Intensité i (en A)        
Puissance P (en W)        
Étape 3 : Calculer la puissance.

Pour chaque couple de valeur (U ; i), on calcule la puissance électrique délivrée par la cellule à l’aide de la formule P = U × i.

On complète ensuite la dernière ligne du tableau de l’étape 2.

Étape 4 : Tracer la courbe P = f(U).

On trace la courbe P = f(U). On obtient par exemple le graphique ci-dessous.


Représentation de P = f(U)
Étape 5 : Calculer le rendement.

Pour calculer la valeur du rendement de la cellule, on utilise la formule .

La puissance électrique fournie par la cellule est la puissance maximale (ou puissance « crête ») de la courbe P = f(U) : c’est le point de charge optimal de la cellule.

On en déduit donc le rendement : .

Ici, Pmaximale = 4,1 W donc :


ρ = 20 %

c. Interprétation

Le rendement calculé est faible, de l’ordre de 20 %.

La cellule photovoltaïque convertit l’énergie rayonnante en énergie électrique mais aussi essentiellement en pertes thermiques.

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