Principes de base des générateurs thermoélectriques

La physique nous enseigne que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais qu'elle peut seulement changer de forme. Cette idée, appelée principe de la conservation de l'énergie, pousse les ingénieurs à trouver des moyens de convertir l'énergie en formes plus utiles.

Un bon exemple est la génération thermoélectrique, qui transforme la chaleur directement en électricité. Cet effet, découvert par Thomas Seebeck et aujourd'hui appelé effet Seebeck, est utilisé dans des dispositifs appelés générateurs thermoélectriques (TEG). Ces dispositifs à semi-conducteurs n'ont pas connu de progrès réels avant le 20e siècle, les premières versions commerciales apparaissant dans les années 1960. Depuis lors, les TEG ont trouvé leur place dans de nombreux types d'applications différents.

Principes de base des modules TEG

Les générateurs thermoélectriques (TEG) fonctionnent en transformant les différences de température en tension électrique, ou inversement. Ce comportement, connu sous le nom d'effet thermoélectrique, englobe trois parties connexes : l'effet Seebeck, qui génère de l'électricité à partir d'un gradient de température ; l'effet Peltier, où la chaleur est absorbée ou dégagée lorsque le courant traverse deux matériaux différents ; et l'effet Thomson, où la chaleur est produite ou absorbée en fonction de la direction du courant.

Une source de confusion fréquente dans la technologie thermoélectrique est la différence entre les générateurs thermoélectriques (TEG) et les refroidisseurs thermoélectriques (TEC). Les TEG exploitent l'effet Seebeck pour produire de l'électricité à partir de la chaleur, tandis que les TEC utilisent l'effet Peltier pour assurer le refroidissement ou maintenir des températures stables. Les deux reposent sur des matériaux semi-conducteurs similaires, mais leurs conceptions diffèrent : les TEG sont conçus pour des différences de températures élevées et une production d'énergie efficace, tandis que les TEC sont optimisés pour le transfert de chaleur à l'aide de matériaux tels que la céramique et le cuivre.

En pratique, si l'objectif est de produire de l'énergie à partir de la chaleur, un module TEG est le bon choix. Pour le refroidissement ou la stabilisation de la température, un module TEC — ou Peltier — est plus efficace. Same Sky propose des modules TEG et des modules Peltier, permettant d'adapter plus facilement le dispositif aux besoins de conception.

Dans un générateur thermoélectrique moderne, l'électricité est produite lorsqu'il y a une différence de température entre son côté chaud et son côté froid. À l'intérieur du module, plusieurs paires de semi-conducteurs de type n et de type p, souvent en tellurure de bismuth, sont placées entre deux plaques (Figure 1). Dans les matériaux de type n, les électrons circulent du côté chaud vers le côté froid, tandis que dans les matériaux de type p, le mouvement est dû aux trous (l'absence d'électrons) se déplaçant de la même manière. Ensemble, ces flux créent une tension, et plus la différence de température est grande, plus la sortie est élevée.

Les TEG sont particulièrement utiles dans les situations où la chaleur serait autrement gaspillée, comme dans les opérations industrielles, où ils contribuent à récupérer l'énergie perdue. Ils sont également utilisés dans les environnements isolés ou extrêmes, par exemple pour alimenter les sondes spatiales en convertissant la chaleur de la décroissance radioactive en électricité lorsque la lumière du soleil est insuffisante.

Figure 1 : Structure générale d'un module TEG. (Source de l'image : Same Sky)

Avantages et inconvénients des TEG

Le principal avantage des modules TEG est leur capacité à transformer la chaleur résiduelle en électricité utilisable, contribuant ainsi à capturer l'énergie qui serait autrement perdue. Ils sont donc non seulement pratiques, mais également écologiques.

Étant donné que les TEG sont des dispositifs à semi-conducteurs, ils ne comportent aucune pièce mobile, ce qui signifie qu'ils sont silencieux, durables et requièrent peu ou pas de maintenance. Grâce à leur facteur de forme compact, ils peuvent être intégrés dans des espaces restreints et, avec des options disponibles sur une plage de tensions et de courants, ils peuvent fournir une alimentation fiable sans dépendre d'un réseau électrique traditionnel. C'est pourquoi les TEG constituent une solution idéale pour les installations à distance ou comme alternative efficace aux systèmes sur batterie.

Bien que les générateurs thermoélectriques constituent une source d'énergie électrique fiable, ils présentent des limites de conception. Leurs performances dépendent fortement d'une différence de température significative, ce qui les limite à certaines applications où des gradients thermiques sont disponibles. De plus, les TEG fonctionnent généralement à des rendements de conversion relativement faibles — souvent autour de 10 % — ce qui est modeste par rapport à de nombreuses autres technologies de production d'énergie.

Principaux critères de sélection des TEG

Lors de l'intégration de modules TEG dans un système, il est important de prendre en compte les spécifications clés qui affectent directement les performances. Le facteur de fonctionnement le plus critique est la différence de température entre le côté chaud et le côté froid (souvent appelée ΔT). Bien que cette information détermine la quantité d'énergie qu'un TEG peut générer, elle n'est pas toujours indiquée sur les fiches techniques. Les fabricants indiquent généralement la valeur Tmax, la température de fonctionnement maximum sûre, qui aide à définir les limites mais pas nécessairement les meilleures conditions de travail.

D'autres spécifications utiles incluent la tension en circuit ouvert, le courant, la résistance, la puissance et la tension de charge adaptée. Ces valeurs donnent une indication des performances du dispositif sous des charges thermiques et électriques réelles. Les fiches techniques, telles que celles fournies par Same Sky, présentent généralement ces informations sous forme de tableaux (Figure 2) et de graphiques de performances (Figure 3) pour faciliter la conception au niveau système.

Figure 2 : Tableau des spécifications TEG d'une fiche technique de Same Sky. (Source de l'image : Same Sky)

Les graphiques de performances montrent les sorties électriques en fonction de la température côté chaud (T_h) et des conditions côté froid correspondantes. Les graphiques les plus courants incluent les suivants :

• Tension en circuit ouvert en fonction de T_h – Indique la tension maximum lorsqu'aucune charge n'est appliquée
• Résistance de charge adaptée en fonction de T_h – Indique la résistance interne à une valeur ΔT donnée
• Tension de charge adaptée en fonction de T_h – Indique la tension de sortie lorsque le dispositif est sous charge
• Intensité de charge adaptée en fonction de T_h – Indique le courant délivré sous charge
• Puissance de sortie de charge adaptée en fonction de T_h – Représente la puissance utilisable générée, qui peut également être dérivée de la tension et du courant en utilisant la loi d'Ohm

Ces graphiques permettent aux ingénieurs d'identifier les points de performances de crête, généralement à la résistance de charge optimale, et de comprendre comment le rendement varie en fonction des différentes conditions thermiques et électriques. L'étude de ces graphiques permet aux concepteurs de mieux adapter un TEG à leur application, de comparer différents modules ou de résoudre des problèmes de performances dans un système réel.

Figure 3 : Graphiques de performances TEG typiques avec les températures côté chaud représentées sur l'axe des X, diverses courbes de performances pour les températures côté froid, et la mesure analysée sur l'axe des Y. (Source de l'image : Same Sky)

Pour choisir le générateur thermoélectrique approprié, un concepteur identifie d'abord les températures attendues côté chaud et côté froid. Avec ces valeurs, les graphiques de résistance, de puissance, d'intensité et de tension de charge adaptée de la fiche technique peuvent être utilisés pour estimer les performances. Par exemple, le module SPG176-56 de Same Sky à T_h=200°C et T_c=30°C produit environ 5,9 V, 1,553 A et 9,16 W avec une résistance proche de 3,8 Ω. Ces valeurs peuvent être extraites de chaque graphique de performances en traçant une ligne verticale de T_h=200°C sur l'axe des X jusqu'à l'intersection avec la courbe T_c=30°C. À partir de ce point, il suffit de tracer une ligne horizontale jusqu'à l'axe des Y pour obtenir la sortie attendue. Encore une fois, étant donné que les TEG suivent la loi d'Ohm, toute combinaison de graphiques et de formules de puissance peut permettre au concepteur d'obtenir la puissance attendue du TEG.

En pratique, ce processus est simple dans des conditions idéales, mais les concepteurs doivent souvent ajuster les différences de température ou les inadéquations de charge en utilisant une interpolation entre les courbes de performance.

Conclusion

Les générateurs thermoélectriques (TEG) sont particulièrement utiles dans les applications où une alimentation à distance est requise ou lorsque la récupération d'énergie peut augmenter le rendement global d'un système. Ils sont généralement disponibles sous deux formes : les grands TEG, capables de fournir de quelques watts à des centaines de watts à des fins industrielles, et les micro TEG, qui fournissent de quelques watts à des milliwatts pour des besoins à plus petite échelle. Les utilisations actuelles couvrent de nombreux domaines d'application, y compris les appareils grand public tels que les dispositifs corporels, les sondes spatiales et les systèmes aérospatiaux, la récupération de chaleur résiduelle industrielle, la conversion d'énergie solaire, les capteurs IoT, les moteurs automobiles, l'électronique industrielle, les équipements CVC, les dispositifs de surveillance médicale, les systèmes militaires, les instruments scientifiques et les infrastructures de télécommunications.

Avec de nombreux rendements et sorties disponibles, les TEG optimisent la conception des systèmes en favorisant la portabilité, le fonctionnement à distance et la récupération d'énergie. Pour la sélection, Same Sky propose des modules TEG de différentes tailles et caractéristiques de sortie pour répondre aux diverses exigences de conception.