Un générateur thermoélectrique (GTE ou ) est une plaque comportant des semi-conducteurs et utilisant l'effet Seebeck pour produire de l'électricité en tirant parti de la différence de températures entre chaque face. Ce type de module est également utilisé pour le refroidissement thermoélectrique.

On appelle l'effet utilisé, l'« effet Peltier–Seebeck », car il dérive des travaux du physicien français Jean-Charles Peltier et du physicien allemand Thomas Johann Seebeck.

Le composant utilise généralement des circuits en cuivre et la partie semi-conductrice en tellurure de bismuth. Cette source d'électricité peut constituer un système d'alimentation autonome ou s'intégrer dans un réseau en tant que générateur intermittent, d'appoint ou de charge continue.

Histoire En 1821, Thomas Johann Seebeck a redécouvert qu'un gradient thermique formé entre deux conducteurs dissemblables peut produire de l'électricité.. Au cœur de l'effet thermoélectrique se trouve le fait qu'un gradient de température dans un matériau conducteur entraîne un flux de chaleur ; cela entraîne la diffusion de porteurs de charge. Le flux de porteurs de charge entre les régions chaudes et froides crée à son tour une différence de tension. En 1834, Jean-Charles Peltier découvrit l'effet inverse, que le fonctionnement d'un courant électrique à travers la jonction de deux conducteurs différents pourrait, selon la direction du courant, le faire agir comme un réchauffeur ou un refroidisseur.

Structure

Les générateurs d'énergie thermoélectrique se composent de trois composants principaux : les matériaux thermoélectriques, les modules thermoélectriques et les systèmes thermoélectriques qui s'interfacent avec la source de chaleur.

Matériaux thermoélectriques

Les matériaux thermoélectriques génèrent de l'énergie directement à partir de la chaleur en convertissant les différences de température en tension électrique. Ces matériaux doivent avoir à la fois une forte conductivité électrique (σ) et une faible conductivité thermique (κ) pour être de bons matériaux thermoélectriques. Le fait d'avoir une faible conductivité thermique garantit que lorsqu'un côté est chauffé, l'autre côté reste froid, ce qui contribue à générer une tension élevée dans un gradient de température. La mesure de l'amplitude du flux d'électrons en réponse à une différence de température à travers ce matériau est donnée par le coefficient Seebeck (S). L'efficacité d'un matériau donné à produire une puissance thermoélectrique est simplement estimée par son « facteur de mérite » zT = S2σT/κ.

Pendant de nombreuses années, les trois principaux semi-conducteurs connus pour avoir à la fois une faible conductivité thermique et un facteur de puissance élevé étaient le tellurure de bismuth (Bi2Te3), le tellurure de plomb (PbTe) et le silicium germanium (SiGe). Certains de ces matériaux contiennent des éléments quelque peu rares qui les rendent coûteux.

Aujourd'hui, la conductivité thermique des semi-conducteurs peut être abaissée sans affecter leurs propriétés électriques élevées en utilisant la nanotechnologie. Ceci peut être réalisé en créant des caractéristiques à l'échelle nanométrique comme des particules, des fils ou des interfaces dans des matériaux semi-conducteurs en vrac. Cependant, les procédés de fabrication des nanomatériaux sont encore difficiles.

Avantages des générateurs thermoélectriques Les générateurs thermoélectriques sont des dispositifs entièrement à semi-conducteurs qui ne nécessitent aucun fluide pour le carburant ou le refroidissement, ce qui les rend non dépendants de l'orientation, ce qui permet une utilisation dans des applications en apesanteur ou en haute mer. L'utilisation des semi-conducteurs permet un fonctionnement dans des environnements sévères. Les générateurs thermoélectriques n'ont pas de pièces mobiles, ce qui produit un appareil plus fiable qui n'exige pas d'entretien pendant de longues périodes. La durabilité et la stabilité environnementale ont fait de la thermoélectricité un favori pour les explorateurs de l'espace lointain de la NASA, entre autres applications. L'un des principaux avantages des générateurs thermoélectriques en dehors de ces applications spécialisées est qu'ils peuvent potentiellement être intégré dans les technologies existantes pour en augmenter l'efficacité et réduire l'impact environnemental en produisant de l'énergie utilisable à partir de la chaleur perdue.

Module thermoélectrique Un module thermoélectrique est un circuit contenant des matériaux thermoélectriques qui génèrent directement de l'électricité à partir de la chaleur. Un module thermoélectrique se compose de deux matériaux thermoélectriques dissemblables joints à leurs extrémités : un semi-conducteur de type n (avec des porteurs de charge négatifs) et un semi-conducteur de type p (avec des porteurs de charge positifs). Un courant électrique continu circule dans le circuit lorsqu'il y a une différence de température entre les extrémités des matériaux. En général, l'intensité du courant est directement proportionnelle à la différence de température :

où est la conductivité locale, S est le coefficient Seebeck (également appelé thermopuissance), une propriété du matériau local, et est le gradient de température.

En application, les modules thermoélectriques dans la production d'énergie fonctionnent dans des conditions mécaniques et thermiques très difficiles. Comme ils fonctionnent dans un gradient de température très élevé, les modules sont soumis à de grandes contraintes et déformations d'origine thermique pendant de longues périodes. Ils sont également soumis à la fatigue mécanique causée par un grand nombre de cycles thermiques.

Ainsi, les jonctions et les matériaux doivent être sélectionnés de manière qu'ils survivent à ces conditions mécaniques et thermiques difficiles. De même, le module doit être conçu de telle sorte que les deux matériaux thermoélectriques soient thermiquement en parallèle, mais électriquement en série. L'efficacité d'un module thermoélectrique est grandement affectée par la géométrie de sa conception.

Conception thermoélectrique Les générateurs thermoélectriques sont constitués de plusieurs thermopiles, chacune étant composée de nombreux thermocouples constitués d'un matériau de type n et de type p connectés. La disposition des thermocouples se présente généralement sous trois formes principales : planaire, verticale et mixte. La conception planaire implique des thermocouples placés horizontalement sur un substrat entre la source de chaleur et le côté froid, ce qui permet de créer des thermocouples plus longs et plus fins, augmentant ainsi la résistance thermique et le gradient de température et, finalement, la tension de sortie. La conception verticale a des thermocouples disposés verticalement entre la plaque chaude et la plaque froide, ce qui entraîne une forte intégration des thermocouples ainsi qu'une tension de sortie élevée, faisant de cette conception la plus utilisée commercialement. Dans la conception mixte, les thermocouples sont disposés latéralement sur le substrat, tandis que le flux de chaleur est vertical entre les plaques. Des microcavités sous les contacts chauds du dispositif permettent un gradient de température, ce qui permet à la conductivité thermique du substrat d'affecter le gradient et l'efficacité du dispositif.

Pour les systèmes microélectromécaniques, les générateurs thermoélectriques peuvent être conçus à l'échelle des appareils portatifs pour utiliser la chaleur du corps sous forme de films minces. Les TEG flexibles pour l'électronique portable peuvent être fabriqués avec de nouveaux polymères par des processus de fabrication additive ou de projection thermique. Les TEG cylindriques destinés à utiliser la chaleur des pots d'échappement des véhicules peuvent également être fabriqués à l'aide de thermocouples circulaires disposés dans un cylindre. De nombreux designs de TEG peuvent être réalisés pour les différents dispositifs auxquels ils sont appliqués.

Systèmes thermoélectriques

À l'aide de modules thermoélectriques, un système thermoélectrique produit de l'énergie en absorbant la chaleur d'une source telle qu'un pot d'échappement chaud. Pour fonctionner, le système a besoin d'un grand gradient de température, ce qui n'est pas facile dans les applications du monde réel. Le côté froid doit être refroidi par de l'air ou de l'eau. Des échangeurs de chaleur sont utilisés des deux côtés des modules pour fournir ce chauffage et ce refroidissement.

La conception d'un système thermoélectrique fiable fonctionnant à haute température présente de nombreux défis. L'obtention d'un rendement élevé dans le système nécessite une conception technique poussée pour trouver un équilibre entre le flux de chaleur à travers les modules et la maximisation du gradient de température à travers eux. Pour ce faire, la conception des technologies d'échange de chaleur dans le système est l'un des aspects les plus importants de l'ingénierie TGE. En outre, le système doit minimiser les pertes thermiques dues aux interfaces entre les matériaux à plusieurs endroits. Éviter les grandes chutes de pression entre les sources de chauffage et de refroidissement est un autre défi technique.

Si la production de courant alternatif est nécessaire (comme pour alimenter des équipements fonctionnant au courant alternatif du secteur), le courant continu des modules TE doit être redressé par un onduleur, ce qui réduit l'efficacité et augmente le coût et la complexité du système.

Matériaux pour générateurs thermoélectriques

Seuls quelques matériaux connus à ce jour sont identifiés comme matériaux thermoélectriques. La plupart des matériaux thermoélectriques ont aujourd'hui un zT, le facteur de mérite, d'une valeur d'environ 1, comme le tellurure de bismuth (Bi2Te3) à température ambiante et tellurure de plomb (PbTe) à 500–700 K. Cependant, pour être compétitifs avec d'autres systèmes de production d'énergie, les matériaux TEG devraient avoir un zT de 2–3. La plupart des recherches sur les matériaux thermoélectriques se sont concentrées sur l'augmentation du coefficient Seebeck (S) et la réduction de la conductivité thermique, notamment en manipulant la nanostructure des matériaux thermoélectriques. Étant donné que la conductivité thermique et la conductivité électrique sont en corrélation avec les porteurs de charge, de nouveaux moyens doivent être introduits afin de concilier la contradiction entre une conductivité électrique élevée et une conductivité thermique faible, comme cela est nécessaire.

Lors de la sélection de matériaux pour la génération thermoélectrique, un certain nombre d'autres facteurs doivent être pris en compte. Pendant le fonctionnement, idéalement, le générateur thermoélectrique a un grand gradient de température à travers lui. La dilatation thermique introduira alors une contrainte dans le dispositif qui peut provoquer une fracture des pattes thermoélectriques ou une séparation du matériau de couplage. Les propriétés mécaniques des matériaux doivent être prises en compte et le coefficient de dilatation thermique des matériaux de type n et p doivent être raisonnablement bien adaptés. Dans le cas d'un système segmenté de générateurs thermoélectriques, la compatibilité du matériau doit également être prise en compte pour éviter l'incompatibilité du courant relatif, défini comme le rapport entre le courant électrique et le courant thermique de diffusion, entre les couches de segments.

Le facteur de compatibilité d'un matériau est défini comme suit