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meilleure tenue mécanique de l’ensemble du module. Concernant les classes de matériaux, un nanobulk présente généralement une conductivité thermique plus faible que son homonyme en version bulk [64]. Ainsi, de meilleures performances sont obtenues, réduisant le prix de revient du watt.
Ensuite, les matériaux de type nanofil peuvent nécessiter des processus de microfabrication, comme c’est le cas ici. Ceci conduit le plus souvent à un coût relativement réduit qui est directement lié au nombre d’étapes de fabrication ainsi qu’au volume final à atteindre.
Puis, pour les matériaux de type super réseau, ils sont fabriqués via épitaxie par jets moléculaires, ce qui nécessite beaucoup d’heures de dépôt et une épaisseur très spécifique.
Ainsi, bien que leur performance s’en voit accrue, leur coût de manufacture reste en général plus élevé que les autres types de matériaux.
Enfin, cette étude a permis de mettre en évidence les différences de coût liées à différents systèmes. Selon le type de matériau choisi ainsi que sa température de fonctionnement, non seulement les propriétés thermoélectriques ne seront pas les mêmes, mais également, les procédés de fabrication du modules seront différents. Par exemple pour les matériaux de type superréseau, des améliorations doivent encore être amenées au niveau du 𝑍𝑇̅ afin de réduire encore le rapport $/W.
Pour conclure, l'abondance des pertes de chaleur et la demande accrue en vue d’améliorer l'efficacité énergétique des procédés, font des dispositifs thermoélectriques à effet Seebeck, une technologie très prometteuse. Afin d’être compétitifs, les prochains matériaux devront être compatibles avec une production à grande échelle, tout en étant chimiquement et thermiquement stables, peu coûteux et devront tenir compte des enjeux environnementaux actuels.
Applications thermoélectriques
1.9
Réfrigérateur thermoélectrique 1.9.1
Le marché mondial des dispositifs thermoélectriques à refroidissement (effet Peltier) est bien plus développé que celui des générateurs thermoélectriques (effet Seebeck) [113]. Même si l'efficacité énergétique du système thermoélectrique reste faible par rapport à celle des systèmes traditionnels tels que des pompes à chaleur, il existe cependant des avantages à utiliser des refroidisseurs thermoélectriques. Ils sont plus légers, plus petits, silencieux et ne comportent aucune pièce mobile. Ils restent cependant appropriés pour des applications de faible puissance du fait de leur coefficient de performance relativement faible. Aujourd’hui, la réfrigération par thermoélectricité concerne des domaines variés où le système requiert une grande fiabilité, un espace confiné, une contrainte de poids ou encore un contrôle de température plus précis. Le marché le plus important concerne de petits dispositifs domestiques tels que les valises pique-nique, refroidies par le courant continu des batteries des véhicules et bateaux, ou encore des petits frigo-bar. Un système a également été envisagé pour maintenir des valises médicales à basse température. Concernant la réfrigération à plus haute puissance, des dispositifs thermoélectriques ont été utilisés pour la climatisation de sous-marins ainsi que la climatisation de cabines de conducteurs de trains [114]. De plus, Apple utilise actuellement des dispositifs thermoélectriques permettant le refroidissement de puces électroniques d’ordinateurs, via des matériaux à couches
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minces, ce qui permet d’avoir une densité de puissance plus élevée que celle obtenue par un ventilateur [115]. Enfin, concernant le secteur automobile, la société Américaine Amerigon a développé un siège de voiture avec un système de refroidissement thermoélectrique.
Un tableau récapitulatif des principales applications associées à la réfrigération thermique est présenté ci-dessous (Tableau 3) [116] :
Militaire/Spatial Refroidissement électronique; combinaisons réfrigérées; réfrigérateurs portables et capteurs infrarouges; refroidissement de diodes laser Produits de
consommation
Réfrigérateurs portables; réfrigérateurs pour mobil home; glacières de pique-nique; casques de moto réfrigérés; valises médicales
Laboratoires et équipements scientifiques
Refroidisseur de tubes photomultiplicateurs; refroidisseurs de diode laser; refroidisseur d'appareil à induction; refroidisseurs de circuits intégrés; plaques froides de laboratoire; chambres froides
Contrôle de température industriel
Boîtiers NEMA; protection de l'environnement; microprocesseurs pour PC; robotique; stabilisateur de la température pour impression
Equipements dans la restauration
Distributeurs de crème fouettée; distributeurs de beurre; distributeurs de portions individuelles alimentaires
Divers Réfrigérateurs pharmaceutiques; refroidisseur de siège d'automobile; refroidisseur d'eau dans un aéronef; fourgons réfrigérateurs; équipement médical de diagnostic; coussin thérapeutique
Tableau 3 : Dispositifs commerciaux à réfrigération thermoélectrique
Générateur thermoélectrique 1.9.2
Au même titre que les modules thermoélectriques à réfrigération, les modules à génération d’électricité présentent l’avantage d’être extrêmement fiables et silencieux, car ils ne comportent aucune pièce mécanique en mouvement et nécessitent beaucoup moins de maintenance. Ils sont de petite taille, légers et sont capables de fonctionner à des températures élevées pour des applications de petite échelle à faible consommation électrique. Bien que la puissance électrique de sortie d’un tel module soit faible, la tension de sortie peut être augmentée à l'aide d'un amplificateur et d'un convertisseur de tension continue DC-DC de faible consommation. Ainsi, à l’aide d’un algorithme de recherche du point de fonctionnement maximum appelé MPPT (Maximum Power Point Tracking) il est possible d’utiliser le module thermoélectrique à son point de fonctionnement optimal [117]. Ce convertisseur doit d’abord convertir la puissance électrique du générateur afin de l’adapter au système de stockage ou d’utilisation. Puis, son rôle est d’adapter son impédance d’entrée de façon à utiliser le générateur à son point de fonctionnement maximum. Enfin un système de mise en veille est souvent recommandé afin de ne pas consommer d’énergie lorsque le module n’est pas sollicité. La puissance ainsi accumulée et stockée peut ensuite servir à la recharge d’un supercondensateur, pour une application future telle que l’alimentation de capteurs par exemple (Figure 25) [61]. L'intérêt d’un supercondensateur dans le système est de permettre d’atteindre des niveaux de courant beaucoup plus élevés, sur une courte période.
1.9 Applications thermoélectriques
60
Figure 25 : Générateur thermoélectrique avec convertisseur amplificateur et système de stockage
Il n'est pas toujours nécessaire d'utiliser un convertisseur élévateur. Toutefois, dans de nombreuses applications, la tension de sortie d'un seul module thermoélectrique est trop basse pour alimenter directement un système. Les générateurs thermoélectriques trouvent une utilisation dans les applications aérospatiales, militaires et automobiles. Leur source de chaleur perdue, provient généralement de procédés industriels, de véhicules, de caloducs, de la microélectronique ou encore du corps humain [118-124]. Dans le cas des applications spatiales, la chaleur est issue du procédé de désintégration nucléaire (PuO2 en général), ce qui permet l’alimentation de capsules spatiales par RTG (Radio-Thermo Generator) [63]. De plus, l’énergie thermique solaire, peut également être utilisée afin d’alimenter le module thermoélectrique. Dans ce cas, l’énergie solaire ayant une faible densité d’énergie, le gradient thermique est également faible, ce qui nécessite l’utilisation de concentrateurs de flux, tels que des lentilles par exemple [125-127].
D’autres applications de niches commencent à voir le jour. Ainsi, dans le secteur aéronautique, la société Boeing a montré qu’une quantité importante de chaleur est rejetée par les réacteurs des avions et les turbomachines équipant les hélicoptères et qu’il était possible d’économiser jusqu’à 0.5 % de carburant grâce à des dispositifs thermoélectriques [128]. Enfin, dans le secteur ferroviaire, le fabricant Bombardier a déposé un brevet concernant un générateur thermoélectrique avec un accumulateur à changement de phase sur sa face chaude afin de lisser les variations de température sur les moteurs diesel des locomotives [129]. Les récents travaux de recherche concernant l’optimisation des dispositifs thermoélectriques ont permis de voir le développement de nouvelles applications. Notamment dans le secteur automobile, qui est en pleine expansion, avec quelques prototypes équipant certains véhicules. De nouvelles avancées restent cependant à être effectuées afin de voir davantage de dispositifs thermoélectriques dans les industries du ferroviaire, de l’aéronautique et de la marine. Aujourd’hui, ces applications de niche restent souvent à l’état de prototype voir en sont encore au stade de la recherche.
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