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EnglishRÉSUMÉ
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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Lire l’articleAuteur(s)
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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)
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Jean-Pierre MICHENAUD : Professeur émérite à l'Université catholique de Louvain
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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.
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 1986 par Paul CROISSANT
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1. Transport électrique et thermique : effets thermoélectriques
1.1 Transport électrique
Avant de donner une description détaillée des trois effets thermoélectriques, nous allons revenir sur les deux propriétés de transport bien connues dans les solides que sont la conductivité électrique et la conductivité thermique. Pour fixer les idées, nous considérerons un matériau homogène isotrope se présentant sous la forme d'un barreau allongé, comme l'illustre la figure 1 a .
Si l'on applique un champ électrique au barreau, supposé isotherme, il apparaît une densité de courant électrique telle que :
où le coefficient de proportionnalité σ s'appelle la conductivité électrique et ρ la résistivité électrique. La relation (1) est la loi d'Ohm écrite sous sa forme locale. On peut exprimer la conductivité électrique suivant la relation simple :
où e désigne la charge élémentaire, n la concentration des porteurs de charge et μ leur mobilité.
La résistivité électrique est l'une des grandeurs physiques qui varie le plus. À température ambiante, elle s'étend sur 24 ordres de grandeur, ce qui est énorme. Cela s'explique...
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Transport électrique et thermique : effets thermoélectriques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - IOFFE (A.) - Semiconductors, Thermoelements and Thermoelectric Cooling. - Infosearch, London (1957).
-
(2) - HACHIUMA (H.), FUKUDA (K.) - Activities and Future Visions of Komatsu Thermo modules. - European Conference on Thermoelectrics, ECT2007 (http://ect2007.its.org/system/files/u1.pdf/01.pdf).
-
(3) - LENOIR (B.), SCHERRER (H.), CAILLAT (T.) - An overview of recent developments for BiSb alloys. - Semiconductors and Semimetals : Recent Trends in thermoelectric materials, Éd. TRITT (T.M.), Academic Press, San Diego, vol. 69, p. 101-138 (2001).
-
(4) - DAUSCHER (A.), LENOIR (B.) et al - Thermoelectric materials, Recent Research Developments. - Material Sciences. Éd. PANDALAI (S.G.), Research Signpost, Kerala, p. 181-207 (2002).
-
(5) - HEREMANS (P.J.), JOVOVIC (V.) et al - Enhancement of thermoelectric efficiency in PbTe by distorsion of the electronic density of states. - Science, 321, p. 554-557 (2008).
-
...
ANNEXES
1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs
Marlow (États-Unis) http://www.marlow.com
Melcor Corporation (États-Unis) http://www.melcor.com
Altec (Ukraine) http://ite.cv.ukrtel.net/altec
SCTB Nord (Russie) http://www.sctbnord.com
Komatsu Electronics (Japon) https://www.komatsu.jp/en
HAUT DE PAGE1.2 Générateurs thermoélectriques
Hi-Zi Technology (États-Unis) http://www.hi-z.com
Global Thermoelectric (Canada) http://www.globalte.com
Komatsu Electronics (Japon) https://www.komatsu.jp/en
BSST (États-Unis) http://www.bsst.com
HAUT DE PAGE
Micropelt (Allemagne) http://www.micropelt.com
Nextreme (États-Unis) http://www.nextremethermal.com
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