Générateurs thermoélectriques : principes matériaux et applications
Un générateur thermélectrique (TEG) est un dispositif qui convertit l'énergie thermique en énergie électrique en utilisant l'effet Seebeck. L'effet Seebeck est un phénomène qui se produit lorsqu'il existe une différence de température entre deux conducteurs différents ou un circuit de conducteurs, créant ainsi une différence de potentiel électrique. Les TEG sont des dispositifs à état solide qui n'ont aucune pièce mobile et peuvent fonctionner silencieusement et de manière fiable pendant de longues périodes. Les TEG peuvent être utilisés pour récupérer la chaleur perdue provenant de diverses sources, telles que les processus industriels, les automobiles, les centrales électriques, et même la chaleur corporelle humaine, et la convertir en électricité utile. Les TEG peuvent également alimenter des appareils à distance, tels que des capteurs, des émetteurs sans fil et des engins spatiaux, en utilisant des radioisotopes ou la chaleur solaire comme source de chaleur.
Comment fonctionne un générateur thermélectrique ?
Un générateur thermélectrique se compose de deux composants principaux : les matériaux thermélectriques et les modules thermélectriques.
Les matériaux thermélectriques sont des matériaux qui présentent l'effet Seebeck, c'est-à-dire qu'ils génèrent une tension électrique lorsque soumis à un gradient de température. Les matériaux thermélectriques peuvent être classés en deux types : n-type et p-type. Les matériaux n-type ont un excès d'électrons, tandis que les matériaux p-type ont un déficit d'électrons. Lorsqu'un matériau n-type et un matériau p-type sont connectés en série par des électrodes métalliques, ils forment une thermocouple, qui est l'unité de base d'un générateur thermélectrique.
Un module thermélectrique est un dispositif qui contient de nombreuses thermocouples connectées électriquement en série et thermiquement en parallèle. Un module thermélectrique a deux côtés : un côté chaud et un côté froid. Lorsque le côté chaud est exposé à une source de chaleur et que le côté froid est exposé à un dissipateur de chaleur, une différence de température est créée à travers le module, provoquant un courant qui circule dans le circuit. Le courant peut être utilisé pour alimenter une charge externe ou recharger une batterie. La tension et la puissance de sortie d'un module thermélectrique dépendent du nombre de thermocouples, de la différence de température, du coefficient Seebeck, et des résistances électriques et thermiques des matériaux.
L'efficacité d'un générateur thermélectrique est définie comme le rapport de la puissance électrique de sortie à la chaleur d'entrée provenant de la source. L'efficacité d'un générateur thermélectrique est limitée par l'efficacité de Carnot, qui est l'efficacité maximale possible pour tout moteur thermique fonctionnant entre deux températures. L'efficacité de Carnot est donnée par :
ηCarnot=1−ThTc
où Tc est la température du côté froid, et Th est la température du côté chaud.
L'efficacité réelle d'un générateur thermélectrique est bien inférieure à l'efficacité de Carnot en raison de diverses pertes telles que le chauffage Joule, la conduction thermique et le rayonnement thermique. L'efficacité réelle d'un générateur thermélectrique dépend du mérite figure (ZT) des matériaux thermélectriques, qui est un paramètre adimensionnel qui mesure la performance d'un matériau pour les applications thermélectriques. Le mérite figure est donné par :
ZT=κα2σT
où α est le coefficient Seebeck, σ est la conductivité électrique, κ est la conductivité thermique, et T est la température absolue.
Plus le mérite figure est élevé, plus l'efficacité du générateur thermélectrique est élevée. Le mérite figure dépend à la fois des propriétés intrinsèques (telles que le transport des électrons et des phonons) et des propriétés extrinsèques (telles que le niveau de dopage et la géométrie) des matériaux. L'objectif de la recherche sur les matériaux thermélectriques est de trouver ou de concevoir des matériaux ayant un coefficient Seebeck élevé, une conductivité électrique élevée et une faible conductivité thermique, qui sont souvent des exigences contradictoires.
Quels sont les matériaux thermélectriques courants ?
Les matériaux thermélectriques peuvent être classés en trois catégories : les métaux, les semi-conducteurs et les composés complexes.
Les métaux ont une conductivité électrique élevée, mais un coefficient Seebeck faible et une conductivité thermique élevée, ce qui entraîne un faible mérite figure. Les métaux sont principalement utilisés comme électrodes ou interconnexions dans les modules thermélectriques.
Les semi-conducteurs ont une conductivité électrique et un coefficient Seebeck modérés, mais une conductivité thermique élevée, ce qui entraîne un mérite figure modéré. Les semi-conducteurs peuvent être dopés pour créer des matériaux n-type ou p-type avec différentes concentrations et mobilités de porteurs. Les semi-conducteurs sont largement utilisés comme matériaux thermélectriques pour les applications à basse température (en dessous de 200°C).
Les composés complexes ont une faible conductivité électrique, mais un coefficient Seebeck élevé et une faible conductivité thermique, ce qui entraîne un mérite figure élevé. Les composés complexes sont généralement composés de plusieurs éléments avec différents états de valence et structures cristallines, ce qui crée des structures de bandes électroniques complexes et des mécanismes de diffusion phononique qui améliorent les performances thermélectriques. Les composés complexes sont largement utilisés comme matériaux thermélectriques pour les applications à haute température (au-dessus de 200°C).
Voici quelques exemples de matériaux thermélectriques courants :
Tellurure de bismuth (Bi2Te3) et ses alliages : Ce sont les matériaux thermélectriques les plus largement utilisés pour les applications à basse température (en dessous de 200°C), tels que les dispositifs de refroidissement et la production d'électricité à partir de sources de chaleur perdue. Le Bi2Te3 a une structure stratifiée qui consiste en couches quintuples alternées de Bi2 et Te3 atomes liés par des forces de van der Waals faibles. Cette structure entraîne une faible conductivité thermique due à la diffusion phononique aux limites des couches. Le Bi2Te3 peut être allié avec d'autres éléments tels que l'antimoine (Sb), le sélénium (Se) ou le soufre (S) pour ajuster ses propriétés électriques et optimiser son mérite figure.
Tellurure de plomb (PbTe) et ses alliages : Ce sont parmi les matériaux thermélectriques les plus largement utilisés pour les applications à température moyenne (200-600°C), tels que la production d'électricité à partir des gaz d'échappement automobiles ou des sources de chaleur perdue industrielles. Le PbTe a une structure de sel gemme qui consiste en couches alternées d'ions Pb2+ et Te2- liés par des forces ioniques fortes. Cette structure entraîne un coefficient Seebeck élevé en raison des atomes de plomb lourds qui créent une grande dégénérescence de bande près du niveau de Fermi. Le PbTe peut être allié avec d'autres éléments tels que l'étain (Sn), le thallium (Tl) ou le sodium (Na) pour améliorer son mérite figure.
Skutterudites : Ce sont des composés complexes avec la formule générale MX3, où M est un métal de transition (comme le cobalt, Co) et X est un pnictogène (comme l'antimoine, Sb).
Les skutterudites ont une structure cubique qui consiste en un réseau tridimensionnel d'unités M4X12 avec de grandes cavités qui peuvent accueillir des atomes invités (comme les éléments terres rares, RE). Les atomes invités agissent comme des diffuseurs de phonons qui réduisent la conductivité thermique, tandis que les atomes hôtes fournissent une conductivité électrique et un coefficient Seebeck élevés. Les skutterudites sont des matériaux thermélectriques prometteurs pour les applications à température moyenne à haute (300-800°C), tels que la production d'électricité à partir de la récupération de chaleur perdue ou de l'énergie solaire concentrée.
Composés demi-Heusler : Ce sont des composés ternaires avec la formule générale XYZ, où X est un métal de transition (comme le titane, Ti), Y est un autre métal de transition (comme le nickel, Ni), et Z est un élément principal (comme l'étain, Sn).
Les composés demi-Heusler ont une structure cubique qui consiste en quatre sous-réseaux fcc entrelacés, l'un occupé par les atomes X et les trois autres occupés par les atomes Y et Z dans un rapport de 1:2. Les composés demi-Heusler ont un coefficient Seebeck et une conductivité électrique élevés en raison de leurs structures de bandes électroniques complexes et une faible conductivité thermique en raison de leurs atomes constituants lourds. Les composés demi-Heusler sont des matériaux thermélectriques prometteurs pour les applications à haute température (au-dessus de 800°C), tels que la production d'électricité à partir des réacteurs nucléaires ou des moteurs aérospatiaux.
Quelles sont les applications des générateurs thermélectriques ?
Les générateurs thermélectriques ont diverses applications dans différents domaines, en fonction de la plage de température, de la puissance de sortie et de la disponibilité de la source de chaleur. Voici quelques exemples d'applications des générateurs thermélectriques :
Dispositifs de refroidissement : Les générateurs thermélectriques peuvent être utilisés pour refroidir des composants électroniques, tels que des microprocesseurs, des lasers ou des capteurs, en appliquant un courant électrique pour créer une différence de température entre les côtés chaud et froid du module. Ce processus est appelé refroidissement thermélectrique ou effet Peltier, qui est l'inverse de l'effet Seebeck. Les dispositifs de refroidissement thermélectrique ont des avantages par rapport aux méthodes de refroidissement conventionnelles, tels que la compacité, la fiabilité, le silence et le contrôle précis de la température.
Production d'électricité à partir de la chaleur perdue : Les générateurs thermélectriques peuvent être utilisés pour récupérer la chaleur perdue provenant de diverses sources, telles que les processus industriels, les automobiles, les centrales électriques, et même la chaleur corporelle humaine, et la convertir en électricité utile. Cela peut améliorer l'efficacité énergétique et réduire les émissions de gaz à effet de serre de ces sources. Par exemple, les générateurs thermélectriques peuvent être intégrés dans les systèmes d'échappement automobile pour récupérer une partie de la chaleur perdue lors de la combustion et générer de l'électricité pour l'électronique embarquée ou la recharge de batteries. Les générateurs thermélectriques peuvent également être attachés à la peau ou au vêtement humain pour générer de l'électricité à partir de la chaleur corporelle pour alimenter des dispositifs portables ou des implants médicaux.
Production d'électricité à partir de radioisotopes : Les générateurs thermélectriques peuvent être utilisés pour alimenter des dispositifs à distance, tels que des capteurs, des émetteurs sans fil et des engins spatiaux, en utilisant des radioisotopes comme source de chaleur.
Les radioisotopes sont des isotopes instables qui émettent des radiations et se désintègrent en d'autres éléments. Les radiations peuvent être converties en chaleur en utilisant un matériau qui les absorbe, tel que le plomb ou le tungstène. La chaleur peut ensuite être convertie en électricité en utilisant des modules thermélectriques. Les générateurs thermélectriques à radioisotopes (RTGs) ont des avantages par rapport à d'autres sources d'énergie, telles que les batteries ou les panneaux solaires, en termes de durée de vie longue, de fiabilité élevée et d'indépendance vis-à-vis des conditions environnementales. Les RTGs ont été utilisés pour alimenter de nombreuses missions spatiales, telles que Voyager 1 et 2, le rover Curiosity et le rover Perseverance.
