Le générateur thermoélectrique (thermogénérateur TEG) est un appareil électrique qui utilise les effets Seebeck, Thomson et Peltier pour générer de l'électricité par thermo-EMF. L'effet thermo-EMF a été découvert par le scientifique allemand Thomas Johann Seebeck (effet Seebeck) en 1821. En 1851, William Thomson (plus tard Lord Kelvin) a poursuivi ses recherches thermodynamiques et a prouvé que la source de la force électromotrice (EMF) est une différence de température.
En 1834, l'inventeur et horloger français Jean Charles Peltier a découvert le deuxième effet thermoélectrique, a découvert que la différence de température se produit à la jonction de deux types de matériaux différents sous l'influence d'un courant électrique (effet Peltier). Plus précisément, il a prédit qu'un champ électromagnétique se développerait dans un seul conducteur lorsqu'il y aurait une différence de température.
En 1950, l'académicien et chercheur russe Abram Ioffe a découvert les propriétés thermoélectriques des semi-conducteurs. Le générateur d'énergie thermoélectrique a commencé à être utilisé dansdes systèmes d'alimentation électrique autonomes dans des zones inaccessibles. L'étude de l'espace extra-atmosphérique, la sortie dans l'espace de l'homme a donné une impulsion puissante au développement rapide des convertisseurs thermoélectriques.
La source d'énergie radio-isotopique a d'abord été installée sur les engins spatiaux et les stations orbitales. Ils commencent à être utilisés dans la grande industrie pétrolière et gazière pour la protection anticorrosion des gazoducs, dans les travaux de recherche dans le Grand Nord, dans le domaine de la médecine comme stimulateurs cardiaques et dans l'habitat comme sources autonomes d'alimentation électrique.
Effet thermoélectrique et transfert de chaleur dans les systèmes électroniques
Les générateurs thermoélectriques, dont le principe de fonctionnement repose sur l'utilisation complexe de l'effet de trois scientifiques (Seebeck, Thomson, Peltier), ont été développés près de 150 ans après des découvertes très en avance sur leur temps.
L'effet thermoélectrique est le phénomène suivant. Pour le refroidissement ou la production d'électricité, un "module" constitué de paires connectées électriquement est utilisé. Chaque paire est constituée de matériau semi-conducteur p (S> 0) et n (S<0). Ces deux matériaux sont reliés par un conducteur dont le pouvoir thermoélectrique est supposé nul. Deux branches (p et n) et toutes les autres paires qui composent le module sont connectées en série dans le circuit électrique et en parallèle dans le circuit thermique. TEG (générateur thermoélectrique) avec cette disposition crée des conditions pour optimiser le flux de chaleur qui traverse le module, en le surmontantrésistance électrique. Le courant électrique agit de telle manière que les porteurs de charge (électrons et trous) se déplacent d'une source froide vers une source chaude (au sens thermodynamique) dans deux branches de la paire. En même temps, ils contribuent au transfert d'entropie d'une source froide vers une source chaude, vers un flux de chaleur qui résistera à la conduction thermique.
Si les matériaux sélectionnés ont de bonnes propriétés thermoélectriques, ce flux de chaleur généré par le mouvement des porteurs de charge sera supérieur à la conductivité thermique. Par conséquent, le système transférera la chaleur d'une source froide à une source chaude et agira comme un réfrigérateur. Dans le cas de la production d'électricité, le flux de chaleur provoque le déplacement des porteurs de charge et l'apparition d'un courant électrique. Plus la différence de température est grande, plus on peut obtenir d'électricité.
Efficacité TEG
Évalué par le facteur d'efficacité. La puissance d'un générateur thermoélectrique dépend de deux facteurs critiques:
- La quantité de flux de chaleur qui peut se déplacer avec succès à travers le module (flux de chaleur).
- Delta de température (DT) - la différence de température entre le côté chaud et le côté froid du générateur. Plus le delta est grand, plus il fonctionne efficacement, par conséquent, les conditions doivent être fournies de manière constructive, à la fois pour un apport maximal de froid et une évacuation maximale de la chaleur des parois du générateur.
Le terme "efficacité des générateurs thermoélectriques" est similaire au terme appliqué à tous les autres typesmoteurs thermiques. Jusqu'à présent, il est très faible et ne représente pas plus de 17 % de l'efficacité de Carnot. L'efficacité du générateur TEG est limitée par l'efficacité Carnot et n'atteint en pratique que quelques pour cent (2-6%) même à des températures élevées. Cela est dû à la faible conductivité thermique des matériaux semi-conducteurs, qui n'est pas propice à une production d'énergie efficace. Ainsi, des matériaux à faible conductivité thermique, mais en même temps avec la conductivité électrique la plus élevée possible sont nécessaires.
Les semi-conducteurs font un meilleur travail que les métaux, mais sont encore très loin des indicateurs qui amèneraient un générateur thermoélectrique au niveau de la production industrielle (avec au moins 15 % d'utilisation de chaleur à haute température). Une nouvelle augmentation de l'efficacité du TEG dépend des propriétés des matériaux thermoélectriques (thermoélectriques), dont la recherche est actuellement occupée par tout le potentiel scientifique de la planète.
Le développement de nouveaux thermoélectriques est relativement complexe et coûteux, mais en cas de succès, ils entraîneront une révolution technologique dans les systèmes de production.
Matériaux thermoélectriques
Les thermoélectriques sont constitués d'alliages spéciaux ou de composés semi-conducteurs. Récemment, des polymères conducteurs d'électricité ont été utilisés pour leurs propriétés thermoélectriques.
Exigences thermoélectriques:
- rendement élevé grâce à une faible conductivité thermique et à une conductivité électrique élevée, coefficient Seebeck élevé;
- résistance aux hautes températures et thermomécaniqueimpact;
- accessibilité et sécurité environnementale;
- résistance aux vibrations et aux changements brusques de température;
- stabilité à long terme et faible coût;
- automatisation du processus de fabrication.
Actuellement, des expériences sont en cours pour sélectionner des thermocouples optimaux, ce qui augmentera l'efficacité du TEG. Le matériau semi-conducteur thermoélectrique est un alliage de tellurure et de bismuth. Il a été spécialement fabriqué pour fournir des blocs ou des éléments individuels avec différentes caractéristiques "N" et "P".
Les matériaux thermoélectriques sont le plus souvent fabriqués par cristallisation directionnelle à partir de la métallurgie des poudres fondues ou pressées. Chaque méthode de fabrication a son propre avantage particulier, mais les matériaux à croissance directionnelle sont les plus courants. Outre le tellurite de bismuth (Bi 2 Te 3), il existe d'autres matériaux thermoélectriques, notamment des alliages de plomb et de tellurite (PbTe), de silicium et de germanium (SiGe), de bismuth et d'antimoine (Bi-Sb), qui peuvent être utilisés dans des applications spécifiques. cas. Alors que les thermocouples au bismuth et au tellurure sont les meilleurs pour la plupart des TEG.
Dignité du TEG
Avantages des générateurs thermoélectriques:
- l'électricité est générée dans un circuit fermé à un étage sans l'utilisation de systèmes de transmission complexes et l'utilisation de pièces mobiles;
- manque de liquides et de gaz de travail;
- pas d'émissions de substances nocives, de chaleur perdue et de pollution sonore de l'environnement;
- longue durée de vie de la batterie de l'appareilfonctionnement;
- utilisation de la chaleur résiduelle (sources de chaleur secondaires) pour économiser les ressources énergétiques
- travailler dans n'importe quelle position de l'objet, quel que soit l'environnement d'exploitation: espace, eau, terre;
- Génération de basse tension DC;
- immunité aux courts-circuits;
- Durée de conservation illimitée, 100 % prêt à l'emploi.
Champs d'application du générateur thermoélectrique
Les atouts du TEG ont déterminé les perspectives de développement et son futur proche:
- étude de l'océan et de l'espace;
- application dans les petites énergies alternatives (domestiques);
- utilisation de la chaleur des tuyaux d'échappement des voitures;
- dans les systèmes de recyclage;
- dans les systèmes de refroidissement et de climatisation;
- dans les systèmes de pompes à chaleur pour le chauffage instantané des moteurs diesel des locomotives et voitures diesel;
- chauffer et cuisiner dans des conditions de terrain;
- charger les appareils électroniques et les montres;
- nutrition des bracelets sensoriels pour sportifs.
Convertisseur Peltier thermoélectrique
L'élément Peltier (EP) est un convertisseur thermoélectrique fonctionnant à l'aide de l'effet Peltier du même nom, l'un des trois effets thermoélectriques (Seebeck et Thomson).
Le Français Jean-Charles Peltier a connecté des fils de cuivre et de bismuth entre eux et les a connectés à une batterie, créant ainsi une paire de connexions de deuxmétaux dissemblables. Lorsque la batterie était allumée, l'une des jonctions se réchauffait et l'autre se refroidissait.
Les dispositifs à effet Peltier sont extrêmement fiables car ils n'ont pas de pièces mobiles, ne nécessitent aucun entretien, n'émettent aucun gaz nocif, sont compacts et ont un fonctionnement bidirectionnel (chauffage et refroidissement) en fonction du sens du courant.
Malheureusement, ils sont inefficaces, ont un faible rendement, émettent pas mal de chaleur, ce qui nécessite une ventilation supplémentaire et augmente le coût de l'appareil. De tels appareils consomment beaucoup d'électricité et peuvent provoquer une surchauffe ou de la condensation. Les éléments Peltier de plus de 60 mm x 60 mm ne sont presque jamais trouvés.
Portée de l'ES
L'introduction de technologies avancées dans la production de thermoélectriques a entraîné une réduction du coût de production du PE et une expansion de l'accessibilité au marché.
Aujourd'hui, l'EP est largement utilisé:
- dans les glacières portables, pour refroidir les petits appareils électroménagers et les composants électroniques;
- dans les déshumidificateurs pour extraire l'eau de l'air;
- dans un vaisseau spatial pour équilibrer l'effet de la lumière directe du soleil d'un côté du vaisseau tout en dissipant la chaleur de l'autre côté;
- pour refroidir les détecteurs de photons des télescopes astronomiques et des caméras numériques de haute qualité afin de minimiser les erreurs d'observation dues à la surchauffe;
- pour refroidir les composants de l'ordinateur.
Récemment, il a été largement utilisé à des fins domestiques:
- dans les refroidisseurs alimentés par port USB pour refroidir ou réchauffer les boissons;
- sous la forme d'une étape supplémentaire de refroidissement des réfrigérateurs à compression avec une diminution de la température à -80 degrés pour le refroidissement à une étape et jusqu'à -120 pour le refroidissement à deux étapes;
- dans les voitures pour créer des réfrigérateurs ou des radiateurs autonomes.
La Chine a lancé la production d'éléments Peltier de modifications TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 d'une valeur allant jusqu'à 7 euros, qui peuvent fournir une puissance jusqu'à 200 W selon les schémas "chaud-froid", avec une durée de vie allant jusqu'à 200 000 heures de fonctionnement dans la zone de température de -30 à 138 degrés Celsius.
Batteries nucléaires RITEG
Un générateur thermoélectrique à radio-isotopes (RTG) est un appareil qui utilise des thermocouples pour convertir la chaleur issue de la désintégration de matières radioactives en électricité. Ce générateur n'a pas de pièces mobiles. Le RITEG a été utilisé comme source d'énergie sur les satellites, les engins spatiaux et les phares éloignés construits par l'URSS pour le cercle polaire arctique.
Les RTG sont généralement la source d'alimentation préférée pour les appareils nécessitant plusieurs centaines de watts de puissance. Dans les piles à combustible, les batteries ou les générateurs installés dans des endroits où les cellules solaires sont inefficaces. Un générateur thermoélectrique à radio-isotopes nécessite une manipulation stricte des radio-isotopes pendantlongtemps après la fin de sa durée de vie.
Il y a environ 1 000 GTR en Russie, qui étaient principalement utilisés pour les sources d'énergie sur des moyens à longue portée: phares, balises radio et autres équipements radio spéciaux. Le premier RTG spatial sur le polonium-210 fut Limon-1 en 1962, puis Orion-1 d'une puissance de 20 W. La dernière modification a été installée sur les satellites Strela-1 et Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 et Mars-96 ont utilisé des RTG dans leurs systèmes de chauffage.
Générateur thermoélectrique DIY
De tels processus complexes qui se déroulent au TEG n'arrêtent pas les "Kulibins" locaux dans leur désir de rejoindre le processus scientifique et technique mondial pour la création du TEG. L'utilisation de TEG faits maison est utilisée depuis longtemps. Pendant la Grande Guerre patriotique, les partisans ont fabriqué un générateur thermoélectrique universel. Il a généré de l'électricité pour charger la radio.
Avec l'avènement des éléments Peltier sur le marché à des prix abordables pour le consommateur domestique, il est possible de fabriquer soi-même un TEG en suivant les étapes ci-dessous.
- Procurez-vous deux dissipateurs thermiques dans un magasin informatique et appliquez de la pâte thermique. Ce dernier facilitera la connexion de l'élément Peltier.
- Séparez les radiateurs avec un isolant thermique.
- Faire un trou dans l'isolant pour accueillir l'élément Peltier et les fils.
- Assemblez la structure et apportez la source de chaleur (bougie) à l'un des radiateurs. Plus le chauffage est long, plus le courant sera généré à partir de la thermoélectricité de la maisongénérateur.
Cet appareil fonctionne en silence et est léger. Le générateur thermoélectrique ic2, selon la taille, peut connecter un chargeur de téléphone portable, allumer une petite radio et allumer un éclairage LED.
Actuellement, de nombreux fabricants mondiaux bien connus ont lancé la production de divers gadgets abordables utilisant TEG pour les passionnés de voitures et les voyageurs.
Perspectives de développement de la production thermoélectrique
La demande de consommation des ménages en TEG devrait augmenter de 14 %. Les perspectives de développement de la production thermoélectrique ont été publiées par Market Research Future en publiant le document "Global Thermoelectric Generators Market Research Report - Forecast to 2022" - analyse du marché, volume, part, progrès, tendances et prévisions. Le rapport confirme la promesse du TEG dans le recyclage des déchets automobiles et la cogénération d'électricité et de chaleur pour les installations domestiques et industrielles.
Géographiquement, le marché mondial des générateurs thermoélectriques a été divisé en Amérique, Europe, Asie-Pacifique, Inde et Afrique. L'Asie-Pacifique est considérée comme le segment à la croissance la plus rapide dans la mise en œuvre du marché TEG.
Parmi ces régions, l'Amérique, selon les experts, est la principale source de revenus sur le marché mondial des TEG. Une augmentation de la demande d'énergie propre devrait augmenter la demande en Amérique.
L'Europe affichera également une croissance relativement rapide au cours de la période de prévision. L'Inde et la Chine vontaugmenter la consommation à un rythme significatif en raison de l'augmentation de la demande de véhicules, ce qui entraînera la croissance du marché des générateurs.
Des constructeurs automobiles tels que Volkswagen, Ford, BMW et Volvo, en collaboration avec la NASA, ont déjà commencé à développer des mini-TEG pour le système de récupération de chaleur et d'économie de carburant dans les véhicules.
