Quels sont les générateurs de puissance thermoelectrique

Qu'est-ce qu'un générateur thermélectrique de puissance?

Définition du générateur thermélectrique

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 lorsque une différence de température existe entre deux conducteurs différents ou un circuit de conducteurs, créant une différence de potentiel électrique. Les TEG sont des dispositifs à état solide qui n'ont pas de parties mobiles 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 être utilisés pour alimenter des dispositifs distants, tels que des capteurs, des émetteurs sans fil et des vaisseaux spatiaux, en utilisant des radioisotopes ou la chaleur solaire comme source de chaleur.

Principe de fonctionnement

Un générateur thermélectrique se compose de deux composants principaux : des matériaux thermélectriques et des modules thermélectriques.

Les matériaux thermélectriques sont des matériaux qui montrent l'effet Seebeck, générant une tension électrique lorsqu'il y a une différence de température. Ils sont classés en deux types : n-type et p-type. Les matériaux n-type ont des électrons supplémentaires, tandis que les matériaux p-type manquent d'électrons. Lorsqu'ils sont connectés en série avec des électrodes métalliques, ces matériaux forment une thermocouple, 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 l'apport de chaleur. Cette efficacité est limitée par l'efficacité de Carnot, l'efficacité maximale possible pour tout moteur thermique entre deux températures. L'efficacité de Carnot est donnée par :

où Tc est la température du côté froid, et Th est la température du côté chaud.

L'efficacité réelle d'un générateur thermélectrique est beaucoup plus faible que 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 facteur de mérite (ZT) des matériaux thermélectriques, qui est un paramètre sans dimension qui mesure la performance d'un matériau pour les applications thermélectriques. Le facteur de mérite est donné par :

où α est le coefficient Seebeck, σ est la conductivité électrique, κ est la conductivité thermique, et T est la température absolue.

Plus le facteur de mérite est élevé, plus l'efficacité du générateur thermélectrique est élevée. Le facteur de mérite 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 qui ont un coefficient Seebeck élevé, une conductivité électrique élevée et une conductivité thermique faible, ce qui sont souvent des exigences contradictoires.

Matériaux courants

• Bismuth tellurure (Bi2Te3) et ses alliages

• Plomb tellurure (PbTe) et ses alliages

• Skutterudites

• Composés Half-Heusler

Applications

• Dispositifs de refroidissement

• Production d'énergie à partir de la chaleur perdue

• Production d'énergie à partir de radioisotopes

 Défis

• Efficacité faible

• Coût élevé

• Gestion thermique

• Intégration système

Orientations futures

• Nouveaux matériaux thermélectriques

• Modules thermélectriques avancés

• Systèmes thermélectriques innovants

Conclusion

Les générateurs thermélectriques sont des dispositifs qui peuvent convertir l'énergie thermique en énergie électrique en utilisant l'effet Seebeck. Les générateurs thermélectriques présentent de nombreux avantages par rapport aux méthodes conventionnelles de production d'énergie, tels que la compacité, la fiabilité, l'absence de bruit et la conversion directe. Les générateurs thermélectriques ont diverses applications dans différents domaines, tels que les dispositifs de refroidissement, la production d'énergie à partir de la chaleur perdue et la production d'énergie à partir de radioisotopes. Cependant, les générateurs thermélectriques font face à certains défis et limitations qui doivent être surmontés pour une mise en œuvre pratique, tels que l'efficacité faible, le coût élevé, la gestion thermique et l'intégration système. Les orientations futures pour la recherche et le développement des générateurs thermélectriques incluent de nouveaux matériaux thermélectriques, des modules thermélectriques avancés et des systèmes thermélectriques innovants. Les générateurs thermélectriques ont un grand potentiel pour les applications de conversion et de captation d'énergie dans divers secteurs et scénarios.