Le rendement des chaines d'énergie
- Fiche de cours
- Quiz et exercices
- Vidéos et podcasts
- Quantifier le rendement global d’une chaine d’énergie.
- Identifier les grandeurs d’efforts et de flux sur une chaine d’énergie.
- L’énergie s’exprime en Joule (J) ou en Watt·heure (W·h).
- La puissance s’exprime en Watt (W).
- La puissance est le produit d’une grandeur de flux et d’une grandeur d’effort.
- Le rendement d’un système se calcule en divisant l’énergie disponible en sortie par l’énergie absorbée en entrée.
- Le rendement global d’un système est le produit des rendements de ses constituants.
Chaines d’énergie et chaines d’information
Pour fonctionner, un système a besoin d’énergie.
L’un des enjeux de l’écoconception est d’optimiser l’utilisation de l’énergie par les systèmes.
Le rendement énergétique d’un mécanisme permet d’exprimer l’énergie présente en sortie en fonction de l’énergie absorbée en entrée.
L'énergie peut s'exprimer en Joule (J) ou en Watt·heure (W·h).
L’énergie contenue dans une batterie de drone est d’environ 30 Wh.
On peut convertir cette énergie en Joule :
= 30 × 3600 = 108 000 J.
La puissance s’exprime en Watt (W), sachant que 1 W = 1 joule/seconde.
|
avec :
|
la puissance
du système, en Watt
l’énergie du système, en
Joules ou en Watt·heure
la durée
durant laquelle fonctionne le système,
en seconde ou en heure
Sachant que la puissance moyenne d’un drone, en phase de vol stationnaire, est de 60 W et que l’énergie disponible dans la batterie est de 30 Wh, on peut calculer le temps de décharge de la batterie :
minutes.
- Une grandeur d'effort
(notée
) qui
« tend » à
déplacer une quantité de matière
donnée.
- Une grandeur de flux
(notée
) qui traduit le
déplacement d’une quantité de
matière avec un certain débit.
Le tableau suivant traduit ces mêmes grandeurs pour différents domaines.
| Domaine |
Grandeur de flux 
|
Grandeur d'effort 
|
Puissance
échangée 
|
| Électrique |
Intensité 
en ampère (A)
|
Tension 
en volt (V)
|
|
| Mécanique (translation) |
Vitesse  en mètre
par seconde (m·s–1)
|
Force 
en newton (N)
|
|
| Mécanique (rotation) |
Vitesse angulaire  en radian par
seconde (rad·s–1)
|
Couple 
en newton·mètre (N·m)
|
|
| Hydraulique |
Débit  en mètre
cube par seconde
(m3·s–1)
|
Pression 
en pascal (Pa)
|
|
Dans le domaine électrique, la puissance
échangée est le
produit de la tension 
(grandeur d’effort) par
l’intensité (grandeur de flux).
Lorsqu’une pièce est en translation, sa
puissance 
est le produit de sa vitesse
linéaire 
(en m/s) par la
force 
, de poussée ou de
traction, qu’elle développe.
Lorsqu’une pièce est en rotation, sa
puissance 
est le produit de sa vitesse de
rotation 
(en rad/s) par son
couple 
, c’est-à-dire sa
force en rotation.
On définit le rendement de la manière suivante.
|
avec :
|
le rendement du
composant, sans unité
et 
les
énergies à la sortie et à
l’entrée du composant, en Joule
(J) ou en Watt.heure (W·h)
et 
les puissances
à la sortie et à
l’entrée du composant, en Watt (W)
Si l'on considère une simple ampoule électrique, le rendement sera le rapport entre l'énergie lumineuse et l'énergie électrique absorbée.
Si l’énergie lumineuse d’une ampoule électrique est de 3 J et l’énergie électrique absorbée est de 60 J, alors le rendement de cette ampoule électrique est
, soit 5 %. La perte sous
forme d’énergie thermique (95 %) est
importante.
La valeur du rendement est comprise entre 0 et 1, avec 1 qui est la meilleure valeur possible (et inatteignable en pratique), et 0 la pire valeur possible.
Un rendement de 0,85 signifie que l’on dispose en sortie de 85 % de la puissance d’entrée et donc que 15 % de l’énergie d’entrée s’est dissipée en chaleur, vibrations, etc.
Le schéma ci-dessous récapitule les différentes énergies en entrée et en sortie d’un système mécanique, sachant qu’il y a toujours une perte d’énergie, qui se dissipe et qui est le plus souvent de nature thermique.
Les différentes énergies en entrée/sortie d’un système mécanique
global est le produit des
rendements intermédiaires (
, 
, etc.).
On étudie le rendement d’une voiture électrique.
Sur le schéma ci-dessous, on peut observer que la puissance électrique absorbée par le moteur est de 22,1 kW alors que la puissance restituée au niveau de la roue est de 19,7 kW. Une partie de la puissance s’est dissipée.
Lorsque l’on connait le rendement de chaque constituant, on peut calculer le rendement global de la chaine.
Dissipation de la puissance dans une voiture électrique
Le rendement global entre l’alimentation électrique et la roue est donc de 89 % car :
.
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