Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
La recherche de nouvelles sources d'énergies non polluantes est devenue un enjeu majeur de nos sociétés modernes. Ainsi, l’intérêt pour la thermoélectricité s’est vu relancé, en particulier à cause de l'émergence des préoccupations environnementales concernant les gaz utilisés en réfrigération et les émissions de gaz à effet de serre. Les effets thermoélectriques permettent la transformation d'énergie calorique en énergie électrique, ou l'inverse, et ses applications comportent la production d'électricité à partir de sources de chaleur perdue et le micro-refroidissement. Les deux principaux axes de recherche concernent, d'une part, le développement de nouveaux matériaux à structures complexes et/ou ouvertes et, d'autre part, le développement de matériaux connus, sous de nouvelles formes de basse dimensionnalité (puits quantiques, nanofils, nanograins, couches minces...).
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The search for new non-polluting energy sources has become a major challenge for our modern societies. Therefore, the interest in thermoelectricity has increased, notably due to the emergence of environmental concerns regarding cooling gases and greenhouse gases emissions. The thermoelectric effects allow for transforming caloric energy into electric energy or reversely and their applications include the production of electricity from sources of waste heat and micro-cooling. The two main research axis concern, the development of new materials with complex and/or open structures and, the development of known materials under new forms of reduced dimensionality (quantum wells, nanowires, nanograins, thin layers, etc.)
Auteur(s)
-
Claude GODART : Docteur - Directeur de Recherches CNRS - CNRS-ICMPE – UMR 7182 – CMTR
INTRODUCTION
Les effets thermoélectriques (TE) permettent la transformation d'énergie calorique (ou thermique) en énergie électrique, ou l'inverse, et ses applications comportent donc les deux volets : (micro)-refroidissement ou production d'électricité à partir de sources de chaleur perdue.
La recherche de nouvelles sources d'énergies non polluantes est devenue un enjeu majeur de nos sociétés modernes après notamment la signature du protocole de Kyoto. C'est pourquoi la génération d'électricité à partir de chaleur perdue aux moyens de modules thermoélectriques (voir : effet Seebeck) apparaît à ce jour comme un réservoir d'énergie « verte ». Outre cet aspect de production d'électricité, les matériaux thermoélectriques, à même de refroidir (voir : effet Peltier), constituent un moyen d'évacuer la chaleur des composants de la microélectronique. Pour les premiers, la faible efficacité des systèmes thermoélectriques en a longtemps limité l'intérêt. Pour les derniers, les méthodes classiques (air/eau), ne correspondent plus aux besoins en raison de la miniaturisation et des densités de puissance à dissiper. Dans les deux cas, de nouveaux concepts ont conduit depuis 1995 à des progrès assez remarquables qui justifient l'apparition très récente du thème dans de nombreuses conférences et les programmes nationaux de divers pays.
La compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans la thermoélectricité et le développement de matériaux à propriétés TE se sont principalement déroulés durant deux périodes d'activité intense.
De 1821 à 1851, les trois effets thermoélectriques (Seebeck, Peltier et Thomson) ont été découverts et compris du point de vue macroscopique. Leurs possibilités d'application à la mesure de température, à la réfrigération et à la génération d'électricité ont également été reconnues. Ensuite, de la fin des années 1930 au début des années 1960 s'est déroulée une période de progrès important, durant laquelle s'est développée une compréhension des phénomènes à l'échelle microscopique et ont été découverts et optimisés la plupart des matériaux semi-conducteurs utilisés à l'heure actuelle. Cependant, l'efficacité de ces matériaux était très insuffisante pour concurrencer la réfrigération par cycle de compression-détente ou pour des applications de génération d'électricité rentables économiquement, et la fin de cette période de recherche est bien résumée par : « Thermoelectricity, the breakthrough that never came true ».
Plus récemment, depuis le début des années 1990, un regain d'intérêt pour la thermoélectricité est apparu, dû en particulier à l'émergence de préoccupations environnementales concernant les gaz utilisés en réfrigération et les émissions de gaz à effet de serre, et la volonté de développer des sources d'énergie alternatives.
Les deux principaux axes de recherche suivis concernent, d'une part, le développement de nouveaux matériaux à structures complexes et/ou ouvertes et, d'autre part, le développement de matériaux connus sous de nouvelles formes de basse dimensionnalité (puits quantiques, nanofils, nanograins, couches minces, nanocomposites...). Parmi les nouveaux matériaux, plusieurs possèdent des propriétés thermoélectriques intéressantes pour des applications en génération d'électricité dans la gamme 200-700 oC, et devraient permettre d'améliorer les rendements de conversion de chaleur en électricité. L'amélioration des architectures des matériaux dans les modules TE et les potentialités des nanostructures devraient permettre de dépasser les 14 % d'efficacité de conversion atteints en 2004 .
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Aspects théoriques en thermoélectricité
En anglais
5. Applications thermoélectriques
5.1 Réalisation d'un « démonstrateur »
Tant en refroidissement qu'en génération d'électricité, le schéma de principe d'un module TE est le même, celui présenté en figure 30 correspond à la génération d'électricité (le flux de chaleur produit le courant), ce qui en complique cependant la réalisation en raison de la tenue en température nécessaire.
Il faut en effet établir des contacts électriques entre les matériaux p/n et le support du module, éviter la diffusion de ces contacts dans les matériaux (et le support), protéger les matériaux contre leur évaporation (s'ils travaillent sous vide, par exemple : spatial) ou leur oxydation, limiter les pertes de gradient par fuites thermiques, etc. Donc, là encore, des problèmes de matériaux (et de leur tenue en température) se posent qui ne seront pas les mêmes selon l'utilisation prévue.
En génération d'électricité, la qualité des contacts électriques est absolument cruciale pour ne pas perdre le courant produit. C'est ainsi qu'un module commercial de Bi 2Te3 prévu pour le refroidissement et soumis à un gradient de température produit peu de courant car ses contacts n'ont pas été optimisés à cet effet.
Par ailleurs, pour des applications en génération d'électricité, il est important de disposer de différents matériaux ayant de fortes valeurs de ZT dans différents domaines de température. En effet, ainsi que nous l'avons indiqué au début du paragraphe , ZT (et donc l'efficacité) d'un matériau n'est pas constant dans un très grand domaine de température. Avec un matériau dans un gradient de température, on intègre donc tout un domaine ou ZT est inférieur à sa valeur maximale (figure 31). En revanche, si on superpose plusieurs matériaux chacun d'entre eux peut travailler dans un domaine de température plus restreint dans lequel la valeur de ZT reste forte. Cependant, cette technique pose de nouveaux problèmes car elle augmente les interfaces entre différents matériaux avec les risques d'interdiffusion ou de réaction chimique. Il faut alors prévoir des barrières de diffusion avec des matériaux inertes et de très faibles résistances électriques.
On imagine bien que tout ceci a un coût qui peut se justifier pour...
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Applications thermoélectriques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CAILLAT (T.), KISOR (A.) , LARA (L.) et coll - Progress Status of Skutterudite-Based Segmented Thermoelectric Technology Development. - Proceedings : 23rd International Conference on Thermoelectrics Adelaide, Australia, 25-29 juil. 2004.
-
(2) - SEEBECK (T.J.) - Magnetisch polarisation der metalle und erze durch temperatur differenz. - Abh. Akad. Wiss., Berlin, 1820-1821, p. 289-346 (1822).
-
(3) - PELTIER (J.C.) - Mémoire sur la formation des tables des rapports qu'il y a entre la force d'un courant électrique et la déviation des aiguilles des multiplicateurs ; suivi de recherches sur les causes de perturbation des couples thermo-électriques et sur les moyens de s'en garantir dans leur emploi à la mesure des températures moyennes. - Annales de Chimie (Paris), 1, p. 371 (1834).
-
(4) - THOMSON (W.) - On the dynamical theory of heat. Part VI. Thermoelectric Currents. - Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, p. 91 (1851).
-
(5) - MAHAN (G.D.), SALES (B.C.) , SHARP (J.) - Thermoelectric materials : new approaches to an old problem. - ...
ANNEXES
1 À lire également dans nos bases
FOURNIER (J.-M.) - SALVI (C.) - STOCHKOLM (J.) - Thermoélectricité : le renouveau grâce aux nanotechnologies. - [NM 5 100] Nanotechnologies (2006).
FEIDT (M.) - Production de froid et revalorisation de la chaleur : machines particulières. - [BE 8 096] Génie énergétique (2003).
FÉGER (D.) - Refroidissement des détecteurs optoélectroniques. - [E 4 070] Électronique (1994).
DE NOVION (C.-H.) - LESUEUR (D.) - L'état métallique. Propriétés électroniques et physiques. - [M 40] Étude et propriétés des métaux (1979).
SAVELLI (M.) - GASQUET (D.) - Physique des dispositifs électroniques. - [E 1 100] Électronique (1996).
HAUT DE PAGE2 Synthèse brevets (Office européen)
Recherche sur : THERMOELECTRIC + TERM (tableau )
Statistique : Déc. 2008
La répartition des brevets est donnée sur la figure .
HAUT DE PAGE3 Conférences, colloques (2004-2009)
La...
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