Machine frigorifique thermoélectrique (TE)

Figure 6. 20 Principe Machine frigorifique thermoélectrique

Figure 6. 21 Module Thermoélectrique (Technicome)

Figure 6. 22 Glacière Thermoélectrique



Le froid thermoélectrique est basé sur le principe (cf. figure 6.20) d’associer en série électriquement des couples P et N de matériaux semi-conducteurs usuellement du tellure de bismuth (Bi₂Te₃). Le matériau de type N est dopé de telle manière à avoir des électrons en excès, alors que ceux de type P sont dopés de manière à être déficients en électrons. Le flux de chaleur est déplacé par le flux d’électrons de telle manière que le refroidissement thermique de la liaison P vers N et le rejet de chaleur de N vers P associent les modules TE thermiquement en parallèle alors qu’ils sont électriquement en série. Les modules commercialisés (cf. figure 6.21) ont des puissances thermiques, évaluées à un écart de températures nul, qui varient de 5 à 100 W. En effet l’usage de refroidissement le plus usuel des modules thermoélectriques est le refroidissement de composants électroniques qu’il faut maintenir à une température ambiante donnée. La puissance de refroidissement est faible, au mieux quelques centaines de watts, et l’efficacité énergétique décroît très vite avec l’écart de températures. C’est la raison pour laquelle sont commercialisés des équipements comme les glacières électriques de 12/24 V d’une contenance de 10 à 15 l (cf. figure 6.22) dont la puissance frigorifique typique est de 20 W pour un écart de températures d’une vingtaine de degrés Celsius.

La caractéristique essentielle d’un matériau thermoélectrique est définie par le facteur de mérite Z :

Avec :

• α : coefficient de Seebeck (en V/K)
• ρ : résistivité électrique (&Ohm;.m)
• λ : conductivité thermique (W/m.K)

La valeur typique des facteurs de mérite est de 1. Les coefficients de Seebeck typiques sont de l’ordre de 0,2 V/K ; on vérifie donc qu’on se situe dans des niveaux énergétiques faibles. De plus, les coefficients de performance relativement à Carnot sont de l’ordre de 10 à 15 % au mieux alors que les systèmes à compression de vapeur standards sont autour de 50 %.

Comme le fait voir la figure 6.23, la puissance thermique varie de manière quasi logarithmique avec le courant et indique une saturation rapide de l’augmentation de puissance. Le facteur le plus important est l’écart de températures, plus il est faible, plus la puissance peut l’être à courant circulant égal.

La figure 6.24 indique des COP inférieurs à 1,5 dès que l’écart de températures entre les bouts chaud et froid est de 20 °C. De plus, comme le fait voir la figure 6.21, les modules présentent une petite surface qui requiert souvent l’usage d’un liquide secondaire pour transférer l’énergie à l’air pour des volumes de taille supérieure à quelques litres.

Figure 6.23 Variation de la puissance thermique en fonction de l’ampérage et de l’écart de température

Figure 6.24 Variation du COP en fonction de l’ampérage et de l’écart de température

L’usage habituel est le refroidissement de composants électroniques.

Les coûts des composants sont de l’ordre de 10 à 20 € pour un module thermoélectrique capable de produire 10 W sous 10 °C d’écart de températures.

Estimation des marchés potentiels pour les applications frigorifiques : marché de niche des glacières portables.