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1 - TRANSPORT ÉLECTRIQUE ET THERMIQUE : EFFETS THERMOÉLECTRIQUES

2 - INTERPRÉTATION THÉORIQUE DES EFFETS THERMOÉLECTRIQUES

3 - CONVERSION DIRECTE DE L'ÉNERGIE

4 - MATÉRIAUX THERMOÉLECTRIQUES : ÉTAT DE L'ART ET NOUVEAUTÉS

Article de référence | Réf : K730 v2

Conversion directe de l'énergie
Thermoélectricité : des principes aux applications

Auteur(s) : Bertrand LENOIR, Jean-Pierre MICHENAUD, Anne DAUSCHER

Relu et validé le 14 déc. 2021

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RÉSUMÉ

La thermoélectricité dont il est question ici est la conversion directe de la chaleur en électricité. Après un rappel sur les phénomènes de conduction électrique et thermique dans les solides, cet article présente les effets thermoélectriques, tout d’abord à partir d’une approche expérimentale, puis à partir d’une approche microscopique et thermodynamique. Il traite ensuite de la conversion directe de l’énergie et des performances des générateurs thermoélectriques. Sont présentés pour finir les matériaux conventionnels et leurs évolutions récentes.

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ABSTRACT

Thermoelectricity: from principles to applications

The type of thermoelectricity dealt with in this article is the direct conversion of heat into electricity. After having provided a reminder of electrical and thermal conduction phenomena in solids, this article presents the thermoelectric effects, firstly via an experimental approach and then via a microscopic and thermodynamic approach. It proceeds by focusing on direct energy conversion and the performances of thermoelectric generators. It concludes with conventional materials and their recent developments.

Auteur(s)

  • Bertrand LENOIR : Maître de conférences à l'École nationale supérieure des mines de Nancy Chercheur à l'institut Jean Lamour (UMR 7198 CNRS-Nancy université-UPV Metz)

  • Jean-Pierre MICHENAUD : Professeur émérite à l'Université catholique de Louvain

  • Anne DAUSCHER : Chargée de recherche à l'institut Jean Lamour (UMR 7198 CNRS-Nancy université-UPV Metz)

INTRODUCTION

On sait que l'énergie électrique peut-être produite directement à partir d'énergie mécanique (dynamos) ou, indirectement, à partir d'énergie thermique comme dans les centrales électriques, via le passage obligé par l'énergie mécanique (turbines). La thermoélectricité, dont nous parlons ici, concerne la conversion directe de la chaleur en électricité, grâce à l'utilisation de matériaux appropriés. Elle présente en outre, l'intérêt de concevoir des réfrigérateurs. La fin des années 1990 a été marquée par un regain d'intérêt pour la conversion d'énergie par effets thermoélectriques. Il existe trois effets thermoélectriques qui résultent du couplage entre les phénomènes de conduction électrique et thermique : les effets Seebeck, Peltier et Thomson. Ils furent découverts dans la première partie du XIX e siècle, mais ce n'est qu'à partir des années 1950 que ces effets ont été exploités pour produire du froid ou générer de l'électricité grâce au développement des semi-conducteurs et aux travaux de l'école de Leningrad sous la direction de Ioffe . Les convertisseurs d'énergie basés sur la technologie thermoélectrique présentent de nombreux avantages tels que l'absence d'organes mobiles et de fluide, la simplicité de mise en œuvre, une grande fiabilité et l'avantage d'être « propres » pour l'environnement. Les réfrigérateurs et les générateurs thermoélectriques sont utilisés dans des applications où leurs avantages compensent leur coût élevé et leur performance relativement faible. Ainsi, la réfrigération par effet Peltier connaît des débouchés dans les réfrigérateurs portatifs à usage domestique ou médical, dans la climatisation d'air (automobile...) et dans le refroidissement de composants pour l'opto-électronique (détecteurs infrarouges...). Des générateurs thermoélectriques ont été développés avec succès depuis 1962 pour alimenter sur de longues périodes (plus de 22 ans pour certaines missions) les sondes spatiales de la NASA (Voyager I et II, Galiléo, Cassini...). Dans le contexte actuel des besoins en nouvelles sources d'énergie, les générateurs thermoélectriques pourraient jouer un rôle croissant dans la production d'électricité à partir de sources de chaleur perdue (valorisation des effluents thermiques des pots d'échappement des voitures par exemple).

Cet article se propose de faire le point sur la thématique thermoélectrique. La première partie sera consacrée à des rappels sur les phénomènes de conduction électrique et thermique dans les solides. Les effets thermoélectriques seront ensuite présentés en partant de leur manifestation expérimentale. Une interprétation de ces effets sera ensuite proposée à partir de l'approche macroscopique, basée sur la thermodynamique irréversible, et microscopique, sur la base d'arguments intuitifs. Les bases de la conversion d'énergie à l'état solide par effets thermoélectriques seront discutées dans la troisième partie où nous introduirons le facteur de mérite adimensionnel qui permet de jauger la qualité des matériaux pour la conversion d'énergie. Enfin, la dernière partie de cet article sera consacrée aux matériaux conventionnels et aux nouvelles orientations qui ont été engagées récemment.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-k730


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3. Conversion directe de l'énergie

3.1 Performances des réfrigérateurs et des générateurs thermoélectriques

Nous venons de voir que les effets thermoélectriques Seebeck et Peltier offrent la possibilité aux matériaux de convertir de l'énergie thermique en énergie électrique ou vice versa. Il y a donc deux types de dispositif qui peuvent intéresser l'ingénieur : le réfrigérateur et le générateur électrique. Ces convertisseurs présentent une architecture similaire. La plus répandue industriellement consiste en l'assemblage de matériaux semi-conducteurs de type p et n reliés entre eux par des connections métalliques. Les thermocouples sont montés en série électriquement et en parallèle du point de vue thermique. L'emploi des semi-conducteurs pour les parties actives sera justifié par la suite. La figure 10 présente le schéma de principe de la réfrigération et de la génération thermoélectrique en considérant des convertisseurs élémentaires, c'est-à-dire constitués d'un seul thermocouple. Si on applique un courant (dans le sens indiqué à la figure 10 a  ) à partir d'une source de courant extérieure, la température des jonctions métal/semi- conducteurs du haut va se refroidir et celle des jonctions du bas va s'échauffer en vertu des conclusions du paragraphe précédent. Ainsi, on pourra refroidir un objet ou un fluide si on le met en contact avec les zones froides. On peut donc assimiler notre thermocouple à un réfrigérateur dans lequel les porteurs de charge jouent le rôle du fluide frigorifique. Remplaçons à présent la source de courant extérieure par une résistance de charge et plaçons le thermocouple entre une source de chaleur et un radiateur (figure 10 b  ). Un courant électrique va circuler dans le circuit suite aux deux forces électromotrices qui ont pris naissance dans les branches p et n sous l'effet de la différence de température (voir schéma électrique équivalent figure 6). Ainsi, une partie de la chaleur fournie par la source chaude va être convertie en puissance...

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