Évaluer le rendement d'un convertisseur

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.

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.

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

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.

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

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.

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)

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.

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

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, P_maximale = 4,1 W donc :

ρ = 20 %

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.