pile thermo-électrique (suite)

Effet Seebeck

Soit deux fils A et B constitués de métaux différents et réalisant un circuit électrique par soudure de leurs extrémités (fig. 1). Si les soudures sont portées à des températures respectives T_c et T_f, un courant électrique passe dans le circuit, c’est l’effet Seebeck, découvert en 1821. La force électromotrice de ce couple dépend des métaux et des températures des soudures.

Générateur thermo-électrique

Il est constitué de la partie réceptrice, qui absorbe la chaleur en provenance de la source thermique, de la partie génératrice, formée de fils (ou de bâtons) de deux métaux différents, de la partie émettrice, par laquelle la chaleur quitte le générateur. Ce dernier est donc parcouru par un flux de chaleur, mais également (la partie génératrice) par un courant électrique. Si la résistance calorifique est élevée, le flux provoque sur son passage une chute de température importante et crée une tension thermo-électrique proportionnelle. Par contre, le passage du courant électrique exige une résistance faible, d’où contradiction.

Le rendement d’un tel dispositif — rapport entre la puissance électrique P_el fournie et la puissance thermique P_th parcourant la partie génératrice — est donné par la formule :

où T₀ est la température ambiante en kelvins et ω le coefficient thermo-électrique du couple, égal à avec P₁ et P₂ pouvoirs thermoélectriques des métaux par rapport à un même métal de référence, et L₁ et L₂ coefficients de Lorentz.

Le tableau à double entrée donne, en fonction du coefficient (en haut à droite), le rendement pratique maximal (en bas à droite) pour différents couples dont la température de fusion correspond à la valeur maximale que l’on peut admettre pour T_c. On peut constater que ce rendement n’excède pas environ 3 p. 100.

Couple thermo-électrique à semi-conducteurs

Si les soudures sont formées de semi-conducteurs, les tensions obtenues sont plus élevées. Le pouvoir thermo-électrique P (tension en circuit ouvert aux bornes d’un thermocouple dont les soudures présentent une différence de température de 1 °C) est de l’ordre de quelques dizaines de microvolts avec les métaux, mais atteint 1 millivolt avec les semi-conducteurs. La conductibilité d’un thermocouple varie avec la température de façon irrégulière. Pour un semi-conducteur du type n, elle augmente d’abord avec la température, car le nombre d’électrons de la bande de conduction croît, mais, à partir d’une certaine température, tous les atomes donneurs ont épuisé leurs électrons et ceux de la bande de valence n’ont pas encore une énergie suffisante pour passer à la bande de conduction ; on se trouve dans la région d’épuisement, et ce n’est que si la température continue à s’élever que les électrons franchissent la bande interdite : la conductibilité croît de nouveau.

Pour la réalisation de piles thermoélectriques, il est nécessaire que le couple possède un pouvoir thermoélectrique élevé ; avec les semi-conducteurs, il est maximal lorsque la température se trouve dans la région d’épuisement. On définit un facteur de mérite f d’un semi-conducteur par l’expression dans laquelle K est la conductibilité thermique, c la conductibilité électrique, T la température moyenne absolue de T_c et T_f, et P le pouvoir thermo-électrique. Si le tellurure de plomb a été choisi le plus souvent pour la constitution de générateurs, on utilise depuis d’autres alliages : pour les semi-conducteurs du type p : ZnSb ; GeTe ; alliages AgSbTe₂ – GeTe ; GeO, 9BiO, Te et MnSi₂ ; pour les semi-conducteurs du type n : Pb-Te, InAs et InAs_x P_1–x, dont les facteurs de mérite sont connus.

Groupement des couples thermo-électriques

Pour obtenir le rendement maximal, il est avantageux d’employer plus d’un couple thermo-électrique : un couple peut avoir un facteur de mérite plus élevé qu’un autre pour une gamme de températures donnée, alors que cet autre possède de meilleures propriétés thermo-électriques aux températures plus hautes ou plus basses. On utilisera par exemple un générateur segmenté fonctionnant entre une source chaude à 530 °C et une source froide à 30 °C et qui comporte deux jambages constitués chacun de trois matériaux différents (fig. 2). Il est également possible de grouper les éléments en série ou en parallèle.

Applications des piles thermo-électriques

Comme le rendement d’une pile ne dépasse guère 4 à 5 p. 100, son intérêt va dépendre du bas prix de la chaleur fournie ; si cette dernière est gratuite (chaleur solaire), le couple thermoélectrique est particulièrement justifié. Néanmoins, en dépit du bas rendement et de la faible puissance massique des générateurs, on envisage leur emploi dans des domaines où ils bénéficient des avantages suivants : fonctionnement silencieux, absence de pièces mobiles, de phénomènes gyroscopiques associés à une machine tournante et de modifications chimiques des constituants, longue durée. Parmi les appareils réalisés, citons un générateur fonctionnant à une température maximale de 450 °C alimenté par la chaleur fournie par un combustible liquide ou gazeux. Le poids d’un tel générateur est de l’ordre de 1 kg pour 4,5 W, mais on espère réaliser des appareils portatifs de 500 W pesant environ 15 kg.

On peut procéder à la conversion de l’énergie solaire avec un dispositif constitué d’éléments semi-conducteurs de types p et n montés sur des pièces en U conductrices de la chaleur et de l’électricité (fig. 3). Des essais ont donné des rendements de l’ordre de 1 p. 100, ce qui nécessite une surface de 100 m² pour obtenir 1 kW. On a également utilisé la chaleur fournie par la fission d’isotopes radioactifs tels que Po²¹⁰, Sr⁹⁰, Ce¹¹⁴, Pu²³⁸, hydrure de Zr et U²³⁵ pour alimenter des piles qui pourraient fournir de l’énergie à des systèmes de communication isolés, des satellites, etc.

Enfin, on peut introduire un couple thermo-électrique (fig. 4) dans la barre de combustible d’un réacteur nucléaire : la chaleur de fission du combustible réchauffe la soudure entre matériau thermo-électrique et gainage métallique du combustible, tandis que le réfrigérant du réacteur refroidit la soudure froide formée entre élément thermo-électrique et enveloppe extérieure.

G. G.