Thermoélectricité

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Dans certain matériaux 'effet thermoélectrique' lie le flux de chaleur qui les traverse au courant électrique qui les parcourt. Cet effet est à la base d'applications de réfrigération et de génération d'électricité : Un matériau thermoélectrique va permettre de transformer directement de la chaleur en électricité, ou de déplacer des calories par l'application d'un courant électrique.
Thermoélectricité

Dans certain matériaux 'effet thermoélectrique' lie le flux de chaleur qui les traverse au courant électrique qui les parcourt. Cet effet est à la base d'applications de réfrigération et de génération d'électricité : Un matériau thermoélectrique va permettre de transformer directement de la chaleur en électricité, ou de déplacer des calories par l'application d'un courant électrique.

Aspects historiques G. S. Nolas, J. Sharp and G. H. J., Thermoelectrics, basic principles and new materials developments, Springer 2001. G. D. Mahan, B. C. Sales and J. Sharp, Thermoelectric materials: new approaches to an old problem, Physics Today, Vol. 50 (1997), pp. 42.

Le premier effet thermoélectrique a été découvert par le physicien allemand Thomas Johann Seebeck en 1821. Celui-ci remarqua qu’une aiguille métallique est déviée lorsqu’elle est placée entre deux conducteurs de natures différentes liés par des jonctions à leurs extrémités et soumis à un gradient thermique (voir effet Seebeck). L'effet observé est d'origine électrique : une différence de potentiel apparaît à la jonction de deux matériaux soumis à une différence de température. L’utilisation la plus connue de l’effet Seebeck est la mesure de température à l’aide de thermocouples. Quelques années plus tard, en 1834, le physicien français Jean Peltier découvrit le second effet thermoélectrique : une différence de température apparaît aux jonctions de deux matériaux de natures différentes soumis à un courant électrique (voir effet Peltier). Le physicien anglais William Thomson (Lord Kelvin) montra en 1851 que les effets Seebeck et Peltier sont liés : un matériau soumis à un gradient thermique et parcouru par un courant électrique échange de la chaleur avec le milieu extérieur. Réciproquement, un courant électrique est généré par un matériau soumis à un gradient thermique et parcouru par un flux de chaleur. La différence fondamentale entre les effets Seebeck et Peltier considérés séparément et l’effet Thomson est l'existence de ce dernier pour un seul matériau et l'inutilité d’une jonction (voir effet Thomson).

Applications potentielles

Les applications actuelles et potentielles des matériaux thermoélectriques tirent partie des deux aspects de l’effet Thomson : D’une part, l’établissement d’un flux de chaleur, opposé à la diffusion thermique, lorsqu’un matériau soumis à un gradient thermique est parcouru par un courant, permet d’envisager des applications de réfrigération thermoélectrique. Cette solution alternative à la réfrigération classique utilisant des cycles de compression-détente ne nécessite aucune pièce mobile, d’où une plus grande fiabilité, l’absence de vibration et de bruit. Ces propriétés sont fondamentales dans des applications pour lesquelles la température doit être régulée de manière très précise et fiable, comme par exemple pour les containers utilisés pour le transport d’organes à transplanter, ou pour des applications dans lesquelles les vibrations constituent une gêne considérable, comme par exemple les systèmes de guidage laser ou les circuits intégrés. De plus, la possibilité de créer un flux thermique à partir d’un courant électrique de manière directe rend inutile l’utilisation de gaz de type fréon, qui contribuent à dégrader la couche d'ozone. D’autre part, la possibilité de convertir un flux de chaleur en courant électrique permet d’envisager des applications de génération d’électricité par effet thermoélectrique, notamment à partir de sources de chaleur perdue comme les pots d’échappement des automobiles, les cheminées d’incinérateurs, les circuits de refroidissement des centrales nucléaires… Les systèmes thermoélectriques constitueraient alors des sources d’énergie d’appoint « propres », puisque, utilisant des sources de chaleur existantes inutilisées. L’utilisation de la thermoélectricité dans l’automobile pourrait par exemple permettre de suppléer partiellement à l’alternateur, réduisant de l’ordre de 10% la consommation de carburant K. Matsubara, Development of a high efficient thermoelectric Stack for a waste exhaust heat recovery of vehicles, Proc 21st International Conference on Thermoelectrics- Long Beach (CA) USA, 2002, pp. 418.. De plus, la très grande fiabilité et durabilité des systèmes (grâce à l’absence de pièces mobiles) a conduit à leur utilisation pour l’alimentation en électricité des sondes spatiales. C’est notamment le cas de la sonde Voyager, lancée en 1977, dans laquelle le flux de chaleur établi entre du PuO2 fissile (PuO2 est radioactif et se désintègre, c'est donc une source de chaleur) et le milieu extérieur traverse un système de conversion thermoélectrique à base de SiGe (alliage de silicium et germanium), permettant l’alimentation de la sonde en électricité (en effet, les sondes spatiales s'éloignant au delà de Mars ne peuvent pas être alimentées par des panneaux solaires, le flux solaire étant trop faible). Voir l'article Générateur thermoélectrique à radioisotope. Comme nous le verrons par la suite, les systèmes de conversion utilisant l’effet thermoélectrique ont des rendements faibles, que ce soit en génération d’électricité ou en réfrigération. Ils sont donc pour l’instant limités à des niches commerciales dans lesquels la fiabilité et la durabilité sont plus importantes que les coûts et le rendement.

Principes de base, en détails

La conversion d'énergie par effet thermoélectrique (chaleur électricité ou électricité chaleur) est basée à la fois sur les effets Seebeck, Peltier et Thomson.

Bref rappel des coefficients Seebeck, Peltier et Thomson

Coefficient Seebeck

Une différence de température dT entre aux jonctions de deux matériaux a et b implique une différence de potentiel électrique dV selon : : S_=\frac\, Le coefficient Seebeck, également appelé "Pouvoir Thermoélectrique" s'exprime en V.K-1 (ou plus généralement en µV.K-1 au vu des valeurs de ce coefficient dans les matériaux usuels). Les coefficients Seebeck des deux matériaux sont reliés au coefficient Seebeck du couple selon : : S_=S_a-S_b\,

Coefficient Peltier

Dans le cas de l’effet Peltier, un courant électrique I est imposé à un circuit composé de deux matériaux, ce qui entraîne une libération de chaleur Q à une jonction et une absorption de chaleur à l’autre jonction, selon : : \Pi_=\frac\,

Coefficient Thomson

Au contraire des coefficients Seebeck et Peltier, le coefficient Thomson peut être défini directement pour un seul matériau. Lorsque sont présents simultanément un gradient de température et un courant électrique, il y a génération ou absorption de chaleur dans chaque segment de matériau pris individuellement. Le gradient de flux thermique au sein du matériau est alors donné par : : \frac=I\frac\tau\, où x est la coordonnée spatiale et τ est le coefficient Thomson du matériau.

Relations entre les coefficients Seebeck, Peltier et Thomson

Kelvin a montré que les trois coefficients Seebeck, Peltier et Thomson ne sont pas indépendants les uns des autres. Ils sont liés par les deux relations : : \Pi_=S_T \, : \tau_a-\tau_b=T\frac \,

Principes de la conversion d'énergie par effet thermoélectrique

Module connecté en série électriquement et en parallèle thermiquement Pour la réfrigération ou la génération d’électricité par effet thermoélectrique, un "module" est constitué de "couples" connectés électriquement. Chacun des couples est constitué d’un matériau semi-conducteur de type p (S>0) et d’un matériau semi-conducteur de type n (S
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