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RÉSUMÉ
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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Thermoelectric generators allow the direct conversion of thermal energy into electrical energy. Principles and basic properties of these generators built around thermoelectric modules are presented. An inventory of these modules is given. Methods of design and optimization of thermoelectric generators are addressed. An application for the production of electricity with a woodstove is detailed. The article ends with an exhaustive presentation of thermoelectric generation applications covering electricity generation in extreme environments, waste heat recovery in transport and industry, domestic production, micro-generation for sensors and solar thermoelectric generators.
Auteur(s)
-
Daniel CHAMPIER : Maître de conférences - Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Électrique (SIAME) Université Pau et Pays de l’Adour (UPPA), Pau, France
INTRODUCTION
La récupération de la chaleur perdue pour produire de l’électricité sur les systèmes embarqués et la production d’électricité dans les zones ou emplacements non reliés à un système de production d’électricité centralisé sont des enjeux importants dans le contexte environnemental actuel. L’effet thermoélectrique est une des possibilités pour contribuer à la production d’électricité à partir de la chaleur.
Les générateurs thermoélectriques sont constitués d’un ensemble de modules thermoélectriques insérés entre deux échangeurs de chaleur. Chaque module thermoélectrique est ensuite constitué de quelques dizaines à centaines de couples de matériaux semi-conducteurs qui permettent de convertir directement une partie de la chaleur qui les traverse en énergie électrique.
Pendant de longues années les générateurs thermoélectriques ont été cantonnés à des applications spatiales : leur extrême fiabilité a justifié leur utilisation pour fournir l’électricité à la grande majorité des sondes envoyées dans l’espace (Voyager, Apollo, Pioneer, Curiosity…). Cependant leur coût élevé et leur faible rendement ont été un frein à leur développement pour des applications plus courantes. L’arrivée sur le marché en 2015 de nouveaux modules thermoélectriques offrant des plages de fonctionnement étendues, utilisant des matériaux à faible coût, non toxiques et à faible empreinte écologique ouvre des perspectives immenses pour les industriels.
Trois verrous principaux entravent le développement des générateurs thermoélectriques : les matériaux thermoélectriques, la réalisation de modules thermoélectriques et l’intégration des modules dans les systèmes afin de constituer des générateurs thermoélectriques efficaces.
Actuellement de nombreux laboratoires étudient de nouveaux matériaux massifs ou nanostructurés pour améliorer le rendement et réduire les coûts. Il y a peu de temps encore, le seul matériau disponible était le tellure de bismuth (Bi2Te3) aux performances certes intéressantes mais en quantités limitées (terres rares). Très récemment, des laboratoires ont annoncé des méthodes de production de nouveaux matériaux à faible coût et grande échelle notamment des skuttérudites, des Half-Heusler, des oxydes ainsi que des matériaux à base de silicium. Par ailleurs des matériaux aux performances très prometteuses ont été annoncés récemment. Cependant dans une perspective industrielle à moyen terme, il est beaucoup plus raisonnable d’étudier les perspectives offertes par les matériaux qui arrivent au stade de la production de modules, ayant des performances proches de l’actuel tellure de bismuth, mais qui sont compatibles avec nos exigences environnementales, ont des plages de températures d’utilisation plus grandes, sont plus légers, disponibles en très grandes quantités et qui devraient permettre de développer à court et à moyen terme des générateurs thermoélectriques économiquement rentables.
La production d’électricité par des modules thermoélectriques nécessite l’optimisation de l’ensemble de la chaîne depuis le générateur d’énergie thermique (source chaude et source froide) jusqu’à la conversion et l’éventuel stockage de l’énergie électrique.
L’objectif de cet article est de donner aux lecteurs les éléments essentiels pour envisager l’utilisation de générateurs thermoélectriques. La première partie présentera l’état de l’art en termes de modules thermoélectriques. La deuxième partie présentera les méthodes de conceptions de générateurs thermoélectriques optimisés dans l’objectif de répondre à la question « Quelle puissance électrique pouvons-nous récupérer sur notre système ? ». Un exemple d’application sera détaillé dans la troisième partie. La dernière partie sera consacrée à la présentation des multiples applications des générateurs thermoélectriques afin que le lecteur soit convaincu que chaque fois qu’il veut produire de l’électricité à partir de la chaleur, il est important de regarder les possibilités offertes par les générateurs thermoélectriques.
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KEYWORDS
thermoelectric generator | TEG | woodstove | thermoelectric module
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Exemple d’une application : cuisinière bois autonome avec générateur thermoélectrique
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3. Conception des générateurs thermoélectriques
La modélisation d’un générateur thermoélectrique nécessite de décrire l’ensemble de la chaîne comprenant une source chaude, une source froide, un ensemble de modules thermoélectriques et des échangeurs thermiques entre les sources et les modules. Les sources de chaleur dans les applications industrielles étant majoritairement des fluides (gaz ou liquides), il est nécessaire d’interfacer des équations de la dynamique des fluides, des équations de transfert thermique et des équations thermoélectriques.
3.1 Modélisation des modules thermoélectriques
Différentes approches peuvent être considérées :
-
une modélisation microscopique des effets thermoélectriques qui utilise le formalisme d’Onsager décrit dans [BE8080] ;
-
une modélisation macroscopique du couple thermoélectrique basée sur les propriétés des matériaux ;
-
une modélisation globale d’un module thermoélectrique basée sur une modélisation obtenue après une caractérisation expérimentale du module.
3.1.1 Modélisation microscopique d’un couple thermoélectrique
La modélisation microscopique est utilisée dans les modèles à éléments finis des logiciels de conception assistée par ordinateur. Cette modélisation détaillée des couples thermoélectriques est présentée dans l’article de C. Goupil [BE8080]. Elle reprend le formalisme d’Onsager.
Elle présente comme principal inconvénient...
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Conception des générateurs thermoélectriques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LeBLANC (S.) - Thermoelectric generators : Linking material properties and systems engineering for waste heat recovery applications. - Sustainable Materials and Technologies, Volume 1-2, p. 26-35, (2014).
-
(2) - ZHENG (X.F.), LIU (C.X.), YAN (Y.Y.), WANG (Q.) - A review of thermoelectrics research – Recent developments and potentials for sustainable and renewable energy applications. - Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 32, p. 486-503, (2014).
-
(3) - DATE (A.), DATE (A.), DIXON (C.), AKBARZADEH (A.) - Progress of thermoelectric power generation systems : Prospect for small to medium scale power generation. - Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 33, p. 371-381, (2014).
-
(4) - LeBLANC (S.) et al - Material and manufacturing cost considerations for thermoelectrics. - Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 32, p. 313-327, (2014).
-
(5) - CHEN (S.), REN (Z.) - Recent progress of half-Heusler for moderate temperature thermoelectric applications. - Materials...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Radioisotope Thermoelectric Generator
http://solarsystem.nasa.gov/rps/rtg.cfm
Voyager, the interstellar mission
http://voyager.jpl.nasa.gov/spacecraft/index.html
HAUT DE PAGE
36th International Conference on Thermoelectrics – ICT2017
15th European Conference on Thermoelectrics – ECT2017
HAUT DE PAGEConstructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Constructeurs de modules
Hi-Z Technology
Thermonamic
Marlow
Lairdtech
Komatsu-Kelk
Evident Thermoelectric
Tegma
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