THERMOÉLECTRICITÉ

Fonctionnement en pompe à chaleur

Le développement de la thermoélectricité a permis quelques réalisations pratiques.

Compte tenu des valeurs du facteur de mérite Z et des servitudes de montage qui tendent toujours à abaisser les performances, les températures aux premier, deuxième et troisième étages, pour une température chaude de 27 ⁰C, peuvent atteindre − 40 ⁰C, − 65 ⁰C et − 80 ⁰C.

Les rendements, qui dépendent des températures atteintes, sont moins simplement exprimables. D'une manière générale et simplifiée, les rendements sont de l'ordre de 0,5 lorsque le thermoélément fonctionne à la moitié de son ΔT maximal. Ces valeurs sont inférieures au rendement des dispositifs de réfrigération utilisant l'évaporation de liquides (réfrigérateurs à compresseur) ; les problèmes mettant en jeu de grandes puissances thermiques ne seront donc pas normalement du ressort de la thermoélectricité. En revanche, celle-ci constitue la solution de choix pour les problèmes de faible puissance, la réfrigération locale et la régulation fine :

– refroidissement des miroirs d'hygromètres à point de rosée ;

– refroidissement de cellules de détection dans l'infrarouge ;

– refroidissement de diodes lasers d'émission utilisées dans les télécommunications par fibre optique.

Signalons enfin le fonctionnement en chauffage dont le rendement est alors supérieur à l'unité, puisque à la puissance dissipée dans le dispositif s'ajoute la chaleur pompée par effet Peltier. Cette application, a priori séduisante du point de vue du rendement, n'a cependant abouti qu'à un faible nombre de réalisations pratiques, à cause de la complication relativement plus grande des dispositifs à effet Peltier par rapport aux dispositifs ordinaires utilisant l'effet Joule.

Conversion directe de l'énergie thermique

La première application qui est apparue et qui est encore largement utilisée se rapporte à la mesure de température à l'aide de thermocouples. Dans cette application, la fidélité de l'indication prime la notion de rendement. Les couples utilisés sont réalisés à partir de métaux ou d'alliages métalliques.

Avec l'emploi des thermoéléments semi-conducteurs, de véritables générateurs thermoélectriques ont été réalisés. Ces thermogénérateurs, dont le rendement demeure faible (15 p. 100 du rendement de Carnot), sont caractérisés par leur très bonne fiabilité.

Deux applications notamment ont été développées :

– le thermogénérateur d'une puissance typique de quelques dizaines de watts alimentant une station de relais hertzien isolée, la chaleur provenant dans ce cas de la combustion d'un gaz de pétrole (butane par exemple) ;

– le thermogénérateur isotopique récupérant la chaleur produite par l'absorption du rayonnement de radio-isotopes de longue période (en général, le plutonium 238), la puissance de ces générateurs allant de moins d'un milliwatt (piles pour stimulateurs cardiaques) à quelques centaines de watts (utilisations sous-marines ou dans les sondes spatiales – Voyager ou Galileo, par exemple – s'éloignant trop du Soleil pour être alimentées par des générateurs photovoltaïques).