Brouillon

intro
Comment peut-on produire de l’électricité ? On connaît tous les moyens possible en partant
d’une énergie mécanique, chimique ou électromagnétique : le principe de la dynamo, les piles
électrochimique, les cellules photovoltaïque avec l’action de la lumière ou encore les cristaux
piézo-électriques qui fournissent un potentiel électrique par pression mécanique. Il existe un
autre moyen, avec la thermoélectricité, à partir d’énergie thermique.
Son existence est très peu connu du grand public, mais néanmoins ses applications se sont
développées discrètement au cours des deux derniers siècles, et c’est ainsi que de nos jour la
thermoélectricité se retrouve omniprésente dans le domaine spatial et scientifique.
Nous allons donc nous intéresser a ce phénomène, resté inaperçu face aux sources d’énergie
plus importante comme le charbon ou le nucléaire, en passant par ces origine, sa théorie et ses
application
I histo rapide
D’où provient ce phénoméne ?
Le premier effet thermoélectrique a été découvert par le physicien allemand Johann Seebeck
en 1821. Concrètement son expérience ressemblais a ceci :
Il assembla un morceau de cuivre, auxquels il souda un autre métal, de l’argenton, un alliage
cuivre nickel zinc;
Il plaça une aiguille aimanté au centre (une boussole), et il s’aperçu qu’en chauffant une
soudure, l’aiguille était dévié de sa position initial : le champ magnétique local à été modifié,
ce qui veut alors dire qu’un courant circule dans le système.
Quelques années plus tard, en 1834, le physicien français Jean Peltier découvrit le second
effet thermoélectrique qui est en fait, l’inverse du premier.
L’expérience est la même que tout a l’heure, mais cette fois lorsqu’
on impose un courant dans le circuit, on observe une différence de température au niveau des
deux jonctions, Une soudure devient chaude et une autre plus froide. La thermoélectricité
correspond alors à la possibilité de créer du courant à partir de chaleur et inversement.
II THEorie
Mais voyons maintenant plus en détail le processus de ce phénomène qui va nous permettre
par la suite de mieux comprendre son histoire et les applications qui lui sont associé de nos
jours.
Comment obtenir de l’électricité à partir de chaleur ?
Il suffit de posséder 2 conducteurs différents par exemple un couple Nickel/Fer et soudé a leur
extrémité.
Lorsque la température des jonctions est différente et seulement si elle est différente, on
observe alors le passage d’un courant par l’intermédiaire d’un ampèremètre.
Ou bien si le circuit est ouvert, on observe une différence de potentiel avec un voltmètre, ceci
toujours avec une différence de température entre les 2 extrémités.
Avec TF température froide et TC température chaude des jonction
Mais on peut s’interroger sur la quantité d’électricité obtenue:
Seebeck a remarqué que pour un couple de conducteur, la tension obtenue est proportionnelle
à la différence de température entre les 2 soudures.
On appelle ce cœfficient de proportionnalité le pouvoir thermoélectrique du couple ou
cœfficient de Seebeck
Seebeck avait observé que la tension produite n’était pas la même en fonctions des
conducteurs choisit. Il a donc classé les métaux en fonctions de leur pouvoir thermoélectrique,
c'est-à-dire leur aptitude à fournir plus ou moins de courant à une température donné.
Le cœfficient du couple est alors relié au cœfficient des matériaux qui le compose par la
différence ;
»coeff métal 1-coeff métal2 »
Il suffit alors de regarder dans des tables le cœfficient de Seebeck de chaque métal et en
déduire celui du couple considéré.
On voit bien que pour obtenir une tension importante, il faut que le delta T et le coeffcient de
Seebeck soit grand.
Mais ce n’est pas tout, pour obtenir une tension correcte, il faut aussi que les conducteurs
posséde une bonne conductivité électrique (de manière a ce que l’intensité engendré ne soit
pas perdu par effet joules), et en même temps une faible conductivité thermique (afin de
posséder un gradient de T le plus grand possible). Ce genre de matériau possédant
simultanément ces 2 propriétés sont assez rares et on doit donc faire des compromis pour
obtenir des rendements acceptable.
On peut maintenant répondre à la question, combien d’électricité peut-on espérer récupérer
avec ce processus ?
Et bien, si on utilise des métaux dans les couples, on n’obtient que des tensions assez faible
car le pouvoir thermoélectrique de ces conducteur ne dépasse pas 15 µV/K , cette valeur
indiquant que pour un delta T de 1K, j’obtient 15 micro volt a la sortie du couple.
J’obtiendrais donc une tension de l’ordre du millivolt avec un bon delta T pour ce genre de
couple.
On peut néanmoins contourner ce problème en utilisant des alliages métallique comme par
exemple le constantan qui peuvent atteindre jusqu’a 40 µV/K . Mais il existe aussi une autre
alternative, ce sont les semis conducteurs, comme le Silicium, le germanium, qui possède
des pouvoirs thermoélectriques élevé dépassant largement le 100 µV/K.
Maintenant que l’on vient de voir comment l’effet thermoélectrique se comporte, on va
pouvoir le mettre en pratique avec une optimisation du processus. C’est sous ce principe que
reposent toutes les applications.
OPTIMISATION
On vient de voir que même en utilisant des semi conducteur dans un couple, on obtient au
mieux des tensions de l’ordre du mili-volt et cette valeur est trop peu suffisante pour un
véritable usage. C’est la que ça devient intéressant : pourquoi ne pas associer plusieurs couple
en série ?
Regardons de plus prés le fonctionnement :
Pour obtenir une tension, je dois avoir 2 conducteurs différents, ainsi que 2 températures de
jonctions différentes, mais rien ne m’empêche de relier d’autre couple au premier et ainsi de
suite pour obtenir beaucoup plus de courant.
La tension obtenue est donc multipliée n fois par le nombre de couple dans le système.
Je n’ai plus qu’a maintenir les soudures d’un même coté a une température donnée, par
exemple en mettant un brûleur a gaz a gauche qui va chauffer ces jonctions, et en maintenant
les autre soudure a une température inférieur, en fixant un dissipateur de chaleur.
Alors voyons la réalisation pratique de la thermoélectricité :
Comme Les fils de conducteurs sont fin et fragile, ont utilise en fait des sections rectangulaire
de conducteurs qui supportent mieux les contrainte mécaniques lorsqu’on les manipules.
Il faut maintenant souder les 2 extrémité des conducteur : en fait c’est industriellement plus
pratique de souder de grosses sections de conducteur séparément sur un autre matériaux, que
de les souder ensemble
On soude donc séparément les 2 conducteurs sur un matériaux étant très bon conducteur
d’électricité et de chaleur ; on utilise de nos jour, pour ces barrette de jonctions, un alliage de
silicium, mais autrefois, c’était surtout du cuivre ou du fer.
Il ne reste plus qu’a maintenir les jonctions chaude sous une température uniforme, mais il y
a des espace entre les couples, d’où une déperdition de chaleur. On place donc une plaque
d’un isolant électrique qui laisse en même temps très bien passer la chaleur.
On vient de construire un module thermoélectrique, que l’on appelle un TEC. Voici une
représentation schématique avec des semis conducteur N et P, des dizaines de couples sont ici
en série. Et en pratique voici à quoi ça ressemble : une plaque de dimension variable avec 2
face que l’on maintiendra a température différente, et si on l’ouvre, on voit qu’environs une
centaine de couples sont relié en série, on finit alors par obtenir des tensions de VOLT
Ce principe est présent dans toutes les application que l’on va voir par la suite : la seule
différence sera dans l’emploi différent de couples de conducteurs.
Maintenant que l’on connaît l’effet thermoélectrique, on va pouvoir admirer les inventions qui
sont apparu au cours du temps :
III historique/application
En fait les effets thermoélectriques n’ont pas été mis en évidence en même temps que la
découverte de l’électricité, car leur effet sont masqué par l’effet joules dès que le courant
atteint une certaine valeur.
Au milieu du 19 eme siecle on s’intéresse surtout aux piles, aux accumulateurs, et aux
premières génératrices de courant apparu en 1870, qui permettent de fournir industriellement
de plus grande quantité de courant. La thermoélectricité du fait de ses faibles rendements, se
développe donc lentement et ne suscite pas un grand intérêt. Néanmoins Lord Kelvin vers
1860 parvient a l’aide de la thermodynamique a donner une théorie a ce phénomène ;
plusieurs inventions voir alors le jour comme par exemple les thermocouples, les piles
thermoélectrique, ou bien l’utilisation de l’effet réfrigérant Peltier .
.
Mais maintenant, voyons plus en détails les applications de la thermoélectricité :
Les thermocouples date du milieu du 19 eme siecle et permette de mesurer rapidement et
facilement des température à une précisions d’environs un degrés et sont très bon marché.
Mais voyons rapidement leur principe de fonctionnement.
Je refais l’expérience de Seebeck, en plaçant une des jonctions sur la substance a température
inconnu, et les autre a une température connu, par exemple 0°c dans un bain de glace
fondante, et je mesure la tension obtenu avec le voltmètre. Il suffit alors d’appliquer la
relation de seebeck, avec une des température connu 0 degrés, il me reste qu’a connaître le
cœfficient du couple en regardant dans les tables, et j’obtient ma température inconnu avec la
tension obtenu.
En fonctions de la gamme de température à mesurer, on choisit un couple précis, de manière
à ce que les conducteur ne fondent pas ou ne s’oxydent pas si la température est trop élevé.
Les thermocouples sont principalement fabriqué en alliage de métaux comme le chromel,
l’alumel, le constantan, de manière a obtenir des cœfficient correcte, ni trop élevé, qui
suffisent amplement pour une mesure, les semi conducteur étant plus fragile et coûtant + cher
que les métaux.
L’ autre application majeur de la thermoélectricité, s’agit des thermopiles, qui furent assez
répandu en Allemagne et en Autriche vers la deuxiéme moitié du 19éme, et qui occupent une
place très importante de nos jours :
Leur principe de fonctionnement est celui qu’on a décrit tout à l’heure, mais voyons quelque
modèle.
Voici la pile de NOé qui utilise un couple maillechort-antimoine zinc. Elle a été conçu en
1880 en Autriche et est la première pile thermo-électrique qui fut utilisée industriellement.
On voit que les couples thermoélectriques sont montés en couronne autour d'un brûleur à gaz
qui chauffait les soudures chaudes. Les jonctions froide quant a elle sont fixé latéralement sur
le support.
Cette pile permettait en mettant en série 100 couple, de disposer d'une pile de 1,2 V capable
de débiter 2 A en court-circuit tant que le brûleur était allumé ;
Enfin voyons maintenant le monstre de l’époque, la thermopile de Clamond, commercialisé en
1889 :
Cette thermopile utilisait 3000 couples de fer et d’un alliage antimoine/zinc, et produisait une
tension de 110 volt, et un courant de court circuit de 7 ampères ce qui était assez énorme pour
l’époque. On peut voir sur le schéma les éléments thermoélectriques qui faisait en réalité
environs 2cm sur 3, ainsi que les énorme ailette qui servait de dissipateur pour les jonctions
froide. La température moyenne des soudures intérieur était de 360°, et celle de l’extérieur ne
dépassait pas 80° . Le foyer était adapté à la combustion du charbon qui servait à chauffer un
atelier ou des locaux techniques, tout en produisant de l’électricité qui été utilisé pour la
galvanoplastie, jusqu’au début des année 1900.
Entre les années 1900 et 1950, la thermoélectricité n’a pas évolué et a disparu du fait de la
suprématie des générateur de courant alternatif à haut rendement. Ce n’est qu’à partir des
année 50 que la thermoélectricité reprit beaucoup d’importance avec le développement des
semi conducteurs possédant des cœfficient thermoélectrique élevé. Plusieurs application
intéressante voit alors le jour comme par exemple cette inventions de fabrication soviétique
qui était capable d'alimenter un poste de radio en le chauffant sur une lampe à pétrole, tout en
produisant de la chaleur et de la lumière.
C’est alors qu’on prit conscience que la thermoélectricité était très intéressante, car elle
permet d’obtenir de l’électricité, peut être en faible quantité, mais de manière très fiable : en
effet, l’absence de mouvement mécanique dans le système, donne aux piles thermoélectrique,
des autonomie importante, et ce dans des endroit isolé au conditions climatique très rude.
Le seul problème est le combustible nécessaire pour maintenir les jonctions à une température
différente.
On peut utiliser des générateurs a flamme, l’énergie solaire, des générateurs a radioisotope, ou
bien les énergie perdu, mais voyons plus précisément ces source d’énergie :
Les thermopiles a générateur de flamme sont les plus ancienne et on utilise de nos jour du
propane pour alimenter un brûleur, mais il faut renouveler le combustible tout les 3 a 6 mois.
On peut aussi utiliser l’énergie du soleil en concentrant l’énergie lumineuse sur les jonctions
chaudes par des miroirs et en enfouissant les autre jonctions dans la terre par exemple.
L’avantage de l’utilisation de l’énergie solaire c’est qu’elle est gratuite, et en associant le
systéme avec des batterie, ont peut obtenir de l’electricité de maniére continu de jour comme
de nuit dans des endroit très isolé, servant ainsi de stations métérologique pour indiquer les
pressions locale, la vitesse, la direction du vent, la température ect
Si on se trouve dans un milieux dépourvu d’énergie extérieur, on va utiliser des générateurs a
radioisotope ;
Alors qu’est ce qu’un radioisotope ? ce sont des isotope radioactif dans un état excité
provenant de déchet nucléaire et qui émettent naturellement des particule chargé alpha et beta.
Lorsque ces particules sont absorbé par les parois non radioactive du container,l’énergie
cinétique des particule est transformé en chaleur. On choisit des élément possédant une
densité d’énergie élevé, c'est-à-dire qui rayonne beaucoup de particule, et sur une longue
période avec une demie vie moyenne de 30 ans. On utilise le Strontium 90, le moins cher des
radioisotope, ou surtout le plutonium 238 plus cher mais plus énergétique, mais il en existent
une dizaine d’autre exploitable. Alors comment fonctionne un générateur thermoéletrique à
radioisotope (RTG )?
C’est très simple :On prend un robuste container que l’on rempli de matière radioactive, on le
perce de trous et on y place des thermocouples. La jonction chaude du thermocouple est
directement relié à la source de chaleur, et l'autre extrémité est reliée à un dissipateur
calorifique.
L’avantage de ces systéme, c’est que mis en place, ils peuvent atteindre des autonomies de
plus de 10 ans et dans des conditions très rude ce qui surclasse largement les autres moyens de
production d’électricité ;
Quels sont leurs applications ?
On les utilise depuis 1960 en tant que station météorologique sur terre et sur mer, de bouée
marine lumineuse, ou bien dans des phares isolés, surtout en russie ou on estime qu’il existe
plus d’un millier de RTG au strontium 90 mais qui ne sont pas vraiment bien entretenu une
fois arrivé a terme de leur utilisation, ce qui pose quelque problême écologique du fait de la
radioactivité du combustible..
On a aussi implanté depuis 1980 environs 150 RTG au plutonium dans des pacemaker,
prolongeant la durée de vie de ces appareil de 1ans et demi a 10 ans, évitant donc de multiples
opérations chirurgicales, mais leur prix est beaucoup plus cher.
Les RTG sont aussi utilisés dans les grande profondeurs jusqu'à plus de 3000 métre et servent
de répondeurs a ultra sons pour les sous marins, ou bien pour contrôler la température des
océans, mais aussi surtout comme station météo dans les région arctique du pole nord comme
au pole sud.
Les générateur thermoélectrique à radio-isotopes sont omni présent dans le domaine spatial :
en effet comme à la limite de notre système planétaire, le rayonnement est insuffisant pour
utiliser des panneaux solaires, les sondes spatiales qui doivent s'y rendre sont équipées de
RTG au plutonium 238.
Entre 1961 et 1997, 40 satellite américain embarque des RTG qui alimente les sonde qui
peuvent alors envoyer des données vers la Terre. Par exemple, la sonde Pionner 10 lancé en
1972 qui a dépassé Jupiter, a envoyé sont dernier signal le 22 janvier 2003, comme voyager 1
et 2 lancé en août et septembre 77 vers saturne et jupiter, qui continu d’émettre des données et
qui ont assez de combustible pour émettre jusqu’en 2020.
Le17 janvier dernier une fusée a décollé transportant un satellite, new horizon, qui embarque
un rtg de 60 kg comprenant 11 kg de plutonium 238, à destination de Pluton. L’autre avantage
des RTG c’est qu’il sont très compact : pour avoir la même quantité d’énergie aux abord de
Jupiter, la sonde aurait du embarquer des panneaux solaires pesant plus de 600 kg .
Mais il existe d’autre application intéressante, comme par exemple une montre
thermoélectrique : afin de posséder le maximum de courant sur un minimum d’espace, on a
connecté les éléments avec des fils de l’ordre du micrométre : la différence de température
entre le corps et l’atmosphère suffit alors pour faire marcher la montre.
On peut aussi recycler les énergies perdues en électricité comme par exemple les pots
d’échappement des voiture, dans les circuits de refroidissement des centrales nucléaires,
permettant de récupérer de l’.
On estime que 20 a 50 kw serait récupérer
On peut aussi convertir en électricité les sources de chaleurs perdu, par exemple dans les pots
d’échappement des voitures, les cheminées d’incinérateurs, les circuits de refroidissement des
centrales nucléaires.
Enfin la dernière application de la thermoélectricité est l’effet Peltier ; on avait vu au début
qu’il suffisait d’imposer un courant dans le circuit pour inverser le phénomène : on obtenait
une jonctions chaude et une autre froide ; voici un module Peltier qui sert a refroidir par
exemple des pièce mécanique de très petite dimensions, comme des processeurs sur-cadencé,
ou bien des organes dans des containers, des solutions dans des laboratoire ou encore a
fabriquer des réfrigérateur miniature pour les voitures par exemple.Les applications sont très
large, car les avantages immense : les TEC sont peu encombrant, très bon marché et on peu
très facilement atteindre des surfaces froide de -40°c avec un TEC basique à 15 euro.
Brouillon
En fait, La première mention concernant les effets thermoélectriques sont faites dans les
rapports de l’Académie de Prusse en 1822.
Néanmoins, la thermoélectricité est un domaine important qui mérite de s’y intéresser, car
facilement accessible et pratique à mettre en œuvre
; Comme son nom l’indique ,la thermoélectricité consiste a produire de l’électricité a partir de
chaleur
THERMOELECTRICITE p17
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Alors il ne faut pas mettre un matériau conduisant l’électricité, car en fait la pile
thermoélectrique serait en cour circuit, et on obtiendrait qu’en fait la ddp que d’un couple.