université de montréal analyse expérimentale de la performance

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
ANALYSE EXPÉRIMENTALE DE LA PERFORMANCE THERMOÉLECTRIQUE DES
MODULES GÉNÉRATEURS
AROUA BELHADJ
DÉPARTEMENT DE GÉNIE PHYSIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION
DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES
(GÉNIE PHYSIQUE)
AVRIL 2015
© Aroua Belhadj, 2015.

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
Ce mémoire intitulé:
ANALYSE EXPÉRIMENTALE DE LA PERFORMANCE THERMOÉLECTRIQUE DES
MODULES GÉNÉRATEURS
présenté par : BELHADJ Aroua
en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès sciences appliquées
a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de :
Mme SANTATO Clara, Doctorat, présidente
M. MASUT Remo A. Ph. D., membre et directeur de recherche
M. TURENNE Sylvain, Ph. D., membre et codirecteur de recherche
M. SAVADOGO Oumarou, D. d’état, membre

iii
DÉDICACE
À mon mari et à mes parents

iv
REMERCIEMENTS
Je tiens tout d’abord à exprimer ma reconnaissance à mon directeur de recherche
M. Remo Masut qui m’a donné la chance de pouvoir réaliser ce projet. Qu’il soit vivement
remercié pour l’encadrement qu’il m’a offert, pour sa disponibilité et surtout pour ses conseils
utiles.
Je voudrais exprimer ma gratitude à M. Dimitri Vasilevskiy qui m’a formé au travail en
laboratoire et qui m’a encadré au long de ce projet. Ses connaissances en thermoélectricité m’ont
permis de progresser dans ma recherche.
Mes remerciements s’adressent également à mon co-directeur de recherche M. Sylvain
Turenne, pour son soutien et ses précieuses interventions et conseils.
Je remercie aussi M. Jean Marc Simard pour sa précieuse coopération et pour son aide à
chaque fois que je l’ai sollicité.
Je remercie les membres du jury Mme Clara Santato et M. Oumarou Savadogo d’avoir
accepté d’évaluer ce travail.
Je salue mes collègues et tous les membres du groupe de thermoélectricité de l’École
Polytechnique de Montréal, je remercie spécialement Lurdez pour les travaux de simulation et
Zouhour pour son aide au laboratoire.
Enfin, je remercie le FRQNT et le CRSNG pour le financement de ma recherche.

v
RÉSUMÉ
Les générateurs thermoélectriques (GTE) sont des dispositifs capables de convertir un
flux de chaleur en puissance électrique, qui peuvent être employés dans diverses applications.
Pour cette raison, il est important d’évaluer leurs performances pour permettre leur utilisation
dans des applications industrielles.
Ce projet de maîtrise a pour but de faire une caractérisation thermoélectrique des modules
générateurs qu’on nommera MTE, en ayant recours à une approche expérimentale basée sur la
production d’une différence de température aux surfaces du module. Nous présentons alors un
modèle de système de conditionnement et de mesure capable de déterminer les principaux
paramètres d’un MTE, pour une large différence de température, sur des modules de dimensions
40 × 40 mm2 et ayant des longueurs de pattes variables (l= 1.5 mm et l= 2 mm). Les paramètres
mesurés sont la tension en circuit ouvert VOC, le courant en court circuit ICC, la puissance
maximale générée PMAX, le flux de chaleur QH ainsi que l’efficacité de conversion η. À partir de
ces grandeurs, il est possible de remonter à la valeur de la résistance électrique interne R du
module.
Le système de conditionnement et de mesure est muni d’un bloc chaud composé de
cartouches chauffantes et d’un bloc froid refroidi à l’eau, entre lesquels le module est compressé.
Les températures des deux blocs sont mesurées par des thermocouples placés aux surfaces du
MTE. Les procédures de chauffage et de refroidissement sont sous le contrôle d’un régulateur de
température de type PID. La pression appliquée sur le module varie de 0 MPa à 1.275 MPa. La
différence de température imposée aux surfaces du générateur TE permet de générer une
puissance électrique, qui dépend de la pression appliquée. Le MTE à caractériser est connecté à
un régulateur électronique de charge (résistance de charge). Les données provenant des
thermocouples (température), du régulateur électronique de charge (courant-tension) ainsi que de
la cellule de charge (pression) sont enregistrées dans l’ordinateur et les mesures sont assurées par
un logiciel incorporé au système de mesure.
La pression mécanique appliquée sur le MTE a permis d’augmenter la puissance
électrique générée jusqu’à atteindre un plateau après 0.45 MPa. Des tests effectués sur des
modules appartenant à un même lot (mêmes dimensions, mêmes longueurs des pattes et mêmes
matériaux TE) ont démontré que ces MTE ne présentent pas la même performance TE. Des
variations d’au moins 1% ont été observées. Ceci est attribué aux variabilités introduites dans les