PRODUCTION D’ELECTRICITE PAR L’EFFET THERMOELECTRIQUE

Les différents types d’énergie, leurs sources et leurs transformations

                 Puisqu’on a déjà présenté précédemment les différentes formes d’énergie, on va directement citer les sources possibles du type d’énergie en question et de leur transformation possible.
a) Energie rayonnante : Ce type d’énergie peut provenir par exemple du soleil, d’une lampe à incandescence, ou encore, des diodes électroluminescentes (« Light Emitting Diode » : LED). On peut la transformer :
– en énergie électrique (à l’aide des cellules photovoltaïques) ;
– en énergie thermique (à l’aide des fours solaires) ;
– en énergie chimique (grâce à la photosynthèse).
b) Energie électrique : C’est, de loin, la forme d’énergie la plus utilisé comme source d’énergie à transformer. Elle peut provenir des cellules photovoltaïques, des accumulateurs, des générateurs piézoélectriques, ou encore des générateurs thermoélectriques. On peut la transformer :
– en énergie mécanique (moteurs électriques) ;
– en énergie rayonnante (LED) ;
– en énergie chimique (électrolyse) ;
– en énergie thermique (résistances électriques).
c) Energie chimique : Elle peut provenir de la photosynthèse, de l’électrolyse, ou des énergies fossiles. On peut la transformer :
– en énergie mécanique (explosions) ;
– en énergie électrique (accumulateurs) ;
– en énergie thermique (combustion) ;
– en énergie rayonnante (chimioluminescence).
d) Energie mécanique : Elle peut provenir des moteurs électriques, des moteurs thermiques, des explosions chimiques, ou encore des turbines hydrauliques et éoliennes. On peut la transformer :
– en énergie hydraulique (pompes) ;
– en énergie électrique (générateurs électriques) ;
– en énergie thermique (frottements).
e) Energie hydraulique et éolienne : Elle peut provenir des pompes mécaniques, de l’eau ou du vent. On peut la transformer en énergie mécanique à l’aide des turbines hydrauliques et éoliennes.
f) Energie nucléaire : Elle provient des matières fissiles. On peut la transformer :
– en énergie rayonnante (réacteur nucléaire) ;
– en énergie thermique (réacteur nucléaire) ;
– en énergie mécanique (explosion nucléaire).
g) Energie thermique : L’énergie thermique est la forme d’énergie la plus facile à trouver du fait que tout travail est accompagné d’un dégagement de chaleur. Elle peut provenir des résistances électriques, d’une combustion chimique, de la géothermie, des capteurs solaires, des frottements mécaniques ou bien des réacteurs nucléaires. On peut la transformer :
– en énergie mécanique (moteurs thermiques) ;
– en énergie électrique (générateurs thermoélectriques) ;
– en énergie rayonnante (lampes à incandescence) ;
– en énergie chimique (thermolyse).

Notion de système

                 La thermodynamique, comme toute autre branche de la physique, met en cause dans ses principes des propriétés attachées à la matière et leur évolution au cours du temps. Ceci s’appliquant à n’importe quel système matériel il convient alors de le situer. Il est primordial de préciser deux régions pour la description thermodynamique d’un système : le système étudié et ce qui lui est extérieur (son environnement). On définit alors la frontière surface fermée de l’espace et la nature des échanges entre le système et son environnement au travers de cette frontière. Ainsi, les systèmes thermodynamiques sont classés en trois catégories que distinguent les échanges avec l’extérieur :
– les systèmes isolés n’échangent ni matière ni aucune forme d’énergie ;
– les systèmes fermés échangent de l’énergie, mais pas de matière ;
– les systèmes ouverts échangent matière et énergie.

Transfert thermique

             Ici on va s’intéresser à la cinétique qui fait que les deux corps mis en présence dans l’enceinte isolée, et qui nous ont permis d’illustrer la notion d’équilibre thermique, échangent de la chaleur jusqu’à la disparition de la différence de température initiale. Les échanges thermiques sont de trois types et sont décrits par des lois phénoménologiques.
a) Conduction : La conduction résulte de « chocs » à l’échelle moléculaire et atomique. Elle va donc être très liée à la structure et à l’organisation du matériau. Elle peut avoir lieu dans les solides et dans une moindre mesure dans les fluides, plus dans les liquides que dans les gaz. C’est un phénomène très analogue à la conduction de l’électricité. Il s’agit d’un transfert d’énergie à petite échelle, dans un corps localement au repos. On parlera de conducteur ou d’isolant thermique. Elle est décrite par la loi de Fourier.
b) Convection : C’est un transfert qui résulte d’un mouvement d’ensemble du matériau le supportant. La convection a donc lieu dans les fluides (gaz ou liquides). Elle est souvent caractéristique de l’échange à la frontière entre un solide et un fluide et est donc très liée à l’écoulement des fluides mais aussi aux géométries d’échange et aux états de surface si un solide intervient. Il convient de distinguer la convection forcée dans laquelle le fluide est mis en mouvement par un apport d’énergie mécanique extérieur (pompe, ventilateur, etc.) de la convection naturelle dans laquelle le fluide prend, en son sein, l’énergie nécessaire au mouvement (comme la variation de la masse volumique associée à une variation de température). De façon macroscopique elle est décrite par la loi de Newton.
c) Rayonnement : La matière émet des ondes électromagnétiques (émission qui se produit en surface pour les solides et les liquides opaques, dans tout le volume pour les gaz ou liquides transparents). Ces ondes dépendent de la température. Il s’agit d’une onde électromagnétique, et donc, qui ne nécessite aucun support matériel pour se propager. Outre le rayonnement thermique dont la bande de longueur d’onde va de l’ultraviolet à l’infrarouge, le thermicien peut s’intéresser à des ondes comme les micro-ondes et leur génération dans le volume. Ce mode de transfert est décrit par la loi de Stefan.

Description d’un Thermocouple

           Un thermocouple est l’association de deux différents métaux conducteurs ou semiconducteurs utilisé dans la l’exploitation de l’énergie thermique. La jonction de deux matériaux (comme matériau de type n et de type p) utilisées dans les dispositifs thermoélectriques est donc appelée thermocouple ; et un élément du thermocouple est appelé thermoélément ou une branche du thermocouple. La figure 3.10 montre un thermocouple composé d’un matériau semiconducteur de type n (coefficient Seebeck négatif et électrons majoritaires) et d’un type p (coefficient Seebeck positif et porteurs de trous) connecté par l’intermédiaire de plages de contact électriques. Lorsque de la chaleur est appliquée sur un côté d’un thermocouple à semi-conducteur, l’énergie thermique provoque la libération de porteurs de charge dans la bande de conduction, d’électrons dans le matériau de type n et de trous dans le matériau de type p. Les porteurs de charge concentrés du côté chaud de l’appareil se repoussent, avec pour résultat qu’ils ont tendance à migrer vers le côté froid de l’appareil. Dans le matériau de type n, ce flux d’électrons constitue un courant circulant du côté froid au côté chaud et le mouvement des électrons provoque la constitution d’une charge négative du côté froid avec une charge positive correspondante du côté chaud en raison du déficit des électrons. En connectant les jonctions avec des interconnexions métalliques comme indiqué dans le schéma ci-dessus, un courant circule dans un circuit externe. Le courant généré est proportionnel au gradient de température entre les jonctions chaudes et froides et la tension est proportionnelle à la différence de température. La chaleur doit être évacuée de la soudure froide, sinon la migration des porteurs de charge égalisera leur répartition dans le semiconducteur, éliminant ainsi la différence de température sur le dispositif, provoquant la migration et, partant, le courant.

Association des thermoéléments et thermocouples

              Étant donné que l’énergie disponible d’un seul thermocouple est très petite, des réseaux de thermocouples doivent être utilisés pour construire des dispositifs thermoélectriques capables de gérer des quantités pratiques de puissance. Des appareils de plus grande puissance peuvent être fabriqués en connectant des thermocouples en série pour augmenter la capacité de tension et en parallèle pour augmenter la capacité de courant. Un tel ensemble de thermocouples est appelé une thermopile dans certains ouvrages. Un module thermoélectrique est constitué d’une configuration spécifique des thermocouples, selon le modèle du fabricant. Voici quelques différentes associations possibles de thermocouple. La figure 3.12 représente une association des thermoéléments en parallèle thermiquement et électriquement : ce modèle n’est presque jamais utilisé car la tension obtenue est très faible. La figure 3.13 montre une association de thermoéléments parallèle thermiquement mais reliés en série électriquement : cette association permet d’obtenir une tension assez efficace à la sortie, mais présente un risque de mauvaise distribution de chaleur, à cause des jonctions, qui affecte le déplacement de flux des particules dans les thermoéléments. La figure 3.14 représente une association de thermoéléments en parallèle thermique et en série électrique : ce qui la différencie de l’association à la fig.3.13, c’est le couplage de différent semiconducteur par une jonction bien placée qui permet un flux de particules plus élevé. C’est l’association le plus utilisée dans la fabrication des dispositifs thermoélectriques. Il existe aussi des associations en cascade des thermocouples pour constituer un module thermoélectrique, comme le montre la fig.3.15. Dans certain module de refroidissement, il est possible d’augmenter la différence de température maximale que le module peut atteindre en faisant fonctionner les refroidisseurs en cascade avec les modules disposés en retour avec le premier étage de la cascade servant de dissipateur thermique à basse température pour la deuxième étape, etc. Pour la conception d’un module thermoélectrique, il faut prendre en considération les paramètres suivants qui ont été classés sous trois catégories :
 Spécifications : Les températures de fonctionnement 𝑇𝑐 et 𝑇ℎ, la tension de sortie requise𝑉, le courant 𝐼 et la puissance de sortie𝑃.
 Paramètres matériels : Les propriétés thermoélectriques 𝛼, 𝜎, 𝜅 et les propriétés de contact du module 𝑛 et 𝑟.
 Paramètres de conception : La longueur du thermoélément 𝑙, la section 𝐴 et le nombre de thermocouples 𝑁.
Les spécifications sont généralement fournies par les clients en fonction des exigences d’une application particulière. Les paramètres de matériau sont limités par les matériaux et les technologies de fabrication de modules actuellement disponibles. Par conséquent, l’objectif principal de la conception des modules thermoélectriques est de déterminer un ensemble de paramètres de conception répondant aux spécifications requises à un coût minimum. Le nombre de thermocouples, 𝑁, requis dans un module peut être déterminé à l’aide de l’équation (3.1), tandis que la section transversale 𝐴 peut être obtenue à partir de l’équation (3.2). La détermination de 𝑁 et 𝐴 pour une longueur de thermoélément donnée est généralement un calcul simple. Cependant, la détermination de la longueur du thermoélément implique une procédure d’optimisation plutôt compliquée, conduite par sa viabilité économique.

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Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre I : Conversion d’énergie
I.1 Notions sur l’énergie
I.1.1 Définitions des termes : Travail, Puissance et Energie
I.1.2 Les différentes formes d’énergie
I.2 Généralité sur la conversion d’énergie
I.2.1 Les différents types d’énergie, leurs sources et leurs transformations
I.2.2 Rendement de conversion ou Efficacité
I.3 Energie électrique
I.3.1 Rappel sur les charges électriques
I.3.2 Phénomène de conduction électrique
I.4 Energie thermique
I.4.1 Notion de système
I.4.2 Notion de température
I.4.3 Chaleur spécifique
I.4.4 Transfert thermique
Chapitre II : Principes de la thermoélectricité
II.1 Généralité
II.1.1 Bref historique
II.1.2 Description
II.2 Les phénomènes thermoélectriques
II.2.1 L’effet Seebeck
II.2.2 L’effet Peltier
II.2.3 L’effet Thomson
II.2.4 Relation de Thomson-Kelvin
II.3 Modèles mathématiques
II.3.1 Expressions des relations générales
II.3.2 Modèle de l’effet Seebeck
Chapitre III : Les modules thermoélectriques
III.1 Thermocouple
III.1.1 Modélisation d’un thermoélément à générateur thermoélectrique
III.1.2 Description d’un Thermocouple
III.1.3 Puissance de sortie et efficacité de la conversion d‘un module
III.1.4 Association des thermoéléments et thermocouples
III.2 Utilisation des modules thermoélectriques
Chapitre IV : Utilisation d’un module thermoélectricité comme TEG
IV.1 Etude de la source d’énergie thermique
IV.2 Présentation du module SP1848-27145
IV.3 Démonstration de l’effet Thermoélectrique
IV.3.1 Générateur de signal PWM à base d’un NE555
IV.3.2 Démonstration de l’effet thermoélectrique
IV.4 Etude de l’emplacement du TEG
CONCLUSION
REFERENCES

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