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Effet thermoélectrique : définition et propriétés

Phénomène physique qui consiste en la conversion directe d’une énergie thermique en électricité, et inversement, dans des matériaux appropriés. Il existe trois effets thermoélectriques qui résultent du couplage entre les phénomènes de conduction électrique et thermique : les effets Seebeck, Peltier et Thomson. Les performances d'un matériau thermoélectrique sont caractérisées par le facteur de mérite adimensionnel.
Les thermocouples utilisent l’effet Seebeck pour déterminer une température : une tension apparaît, proportionnelle à la température du milieu étudié, entre les deux extrémités d’une soudure de deux fils de métaux différents. Le module Peltier est l’application sans doute la plus répandue avec le refroidissement thermoélectrique : un assemblage de semi-conducteurs de type n et p, pris en sandwich entre un matériau conducteur et alimenté en courant, présente une différence de température entre ses deux faces, la face froide permet de refroidir.
Ces convertisseurs d'énergie basés sur la technologie thermoélectrique présentent de nombreux avantages : absence d'organes mobiles et de fluide, simplicité de mise en œuvre, grande fiabilité et composants propres pour l'environnement [K730]. Ces systèmes sont utilisés dans des applications où leurs atouts l’emportent sur leur coût élevé et leurs faibles performances (domaine spatial et aéronautique, refroidissement de composants électroniques).
Cependant, dans le contexte économique et environnemental actuel, les effets thermoélectriques présentent un regain d’intérêt avec la problématique des gaz utilisés en réfrigération et les émissions de gaz à effet de serre : il est urgent de développer des sources d’énergie alternatives [N1500]. Les efforts sont portés sur des matériaux connus sous de nouvelles formes de basse dimensionnalité (puits quantiques, matériaux à cages, couches minces, nanocomposites...) aux propriétés thermoélectriques intéressantes. Les applications commercialisées actuellement concernent essentiellement le refroidissement (réfrigérateurs portatifs, climatisation automobile…).
Par contre, il faut relever le développement de générateurs thermoélectriques pour exploiter la production d'électricité à partir de sources de chaleur perdue. Ces applications pourraient conduire à une réduction de la consommation d’énergie et une amélioration du rendement d’installations exothermiques en limitant leur surchauffe. Dans cette perspective, de grandes avancées ont été soulignées récemment dans le domaine des matériaux thermoélectriques nanostructurés et architecturés, avec notamment la minimisation de la conductivité thermique, pour de meilleures performances [N1510].
De même, des matériaux polymères conducteurs capables d’exploiter de faibles différences de température ont été développés [K721]. Ces dispositifs thermoélectriques flexibles, de faible toxicité, faciles à mettre en forme, offrent un large éventail de solutions durables en devenir de récupération d’énergie (chaleur des portables, chaleur humaine).

Effet thermoélectrique dans actualités

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Effet thermoélectrique dans les ressources documentaires

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Thermoélectricité

La thermoélectricité est présentée dans une approche thermodynamique. L'objectif est de proposer des analogies avec les fluides de travail au coeur des machines thermiques fonctionnant en mode de production de travail ou de pompage de chaleur. La thermodynamique hors équilibre linéaire constitue le cadre théorique dans lequel sont décrits les mécanismes de conversion ou de pompage de la chaleur. La thermodynamique à temps finis, couplée à l'approche nodale, fournit les éléments de modélisation et d'optimisation des systèmes dans la lignée des approches conjointes de Chambadal, Novikov, et Curzon et Ahlborn.

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Générateurs thermoélectriques : de la conception aux applications

Les générateurs thermoélectriques permettent la conversion directe de l’énergie thermique en énergie électrique. Cet article présente les principes et propriétés de base de ces générateurs construits autour de modules thermoélectriques. Un inventaire de ces modules est développé. Des méthodes de conception de générateurs thermoélectriques sont présentées. Une application à la production d’électricité pour une cuisinière bois est détaillée. De nombreuses applications concernant l’espace, la production en milieu extrême, la récupération des énergies thermiques perdues, la production d’électricité décentralisée, la micro-production et l’utilisation de l’énergie solaire sont passées en revue.

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Matériaux thermoélectriques polymères

Les polymères conducteurs sont au cœur du développement d’une nouvelle génération de dispositifs thermoélectriques. Leur flexibilité, leur facilité de mise en forme, leur faible toxicité, les rendent très attractifs pour des applications à large échelle. Alors que le dopage permet d’augmenter leur conductivité électrique, il entraîne une diminution du coefficient de Seebeck ce qui limite encore leurs performances. À l’heure actuelle, différentes stratégies sont étudiées pour décorréler l’évolution de ces deux propriétés et obtenir des matériaux performants. 


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