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 :
|
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 :
|
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
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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