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Les conversions d'énergie

Energie thermique -> énergie électrique

L'effet Seebeck - Principe théorique

L’effet Seebeck (du nom de son découvreur, Thomas Johann Seebeck) se produit lorsqu’une différence de température engendre une tension électrique au sein d’un dispositif. C’est l’inverse de l’effet Peltier, qui lui au contraire met en évidence la création d’un écart de température lorsqu’une tension est appliquée à un dispositif.

Pour que l’effet Seebeck apparaisse, il faut que le dispositif soit constitué de deux métaux, reliés par deux jonctions (soudures). L’une de ces jonctions doit avoir une température plus élevée que l’autre (il doit exister un écart de température dT). Une tension dV apparait alors, comme nous le voyons sur le schéma suivant.

Cette tension est fonction de la différence de température, mais aussi des propriétés du couple de métaux. On défini alors le coefficient Seebeck. Exprimé en V/K (Volt par Kelvin), il caractérise la tension résultant d’un écart de 1°C (ou 1K) appliqué entre les deux soudures. Chaque matériau dispose de son coefficient  (noté Smatériau).

En voici quelques exemples : Nickel (-4,5 μV/K), Manganèse (-2,5 μV/K), Thorium (+0,6 μV/K), Chrome (+5 μV/K), Fer (+11,6 μV/K).

On constate que le coefficient peut aussi bien être positif que négatif. Cela influe simplement sur le sens de circulation du courant.

Pour un couple de métaux 1 et 2, de coefficients Seebeck respectifs S1 et S2, on peut définir le coefficient Seebeck du couple :

S12 = S1 – S2

Dès lors, on peut écrire la relation suivante :

S12 = dV/dT, soit dV = S12 x dT

Plaçons-nous dans le cas d’un couple Fer/Nikel. Le coefficient Seebeck est :

SFer/Nickel = Sfer – SNickel

SFer/Nickel = 11,6 – (-4,5) = 16,1 μV/K

Si le couple ainsi formé est soumis à une différence de température de 100°C (ou 100K), une tension dV se formera :

dV = SFer/Nickel x dT

dV = 16,1 x 100 = 1610 μV = 1,6 mV = 0,0016 V

Applications

En pratique, l’effet Seebeck n’est –à l’heure actuelle- pas intéressant d’un point de vue énergétique. Les tensions mises en jeu étant très faibles (de l’ordre de quelques μV par °C d’écart, micro-Volt, soit un millionième de Volt), la quantité d’énergie thermique convertie en énergie électrique est très faible. Des applications, pour l’heure marginales sont toutefois à l’étude.

Des dispositifs expérimentaux permettent par exemple d’alimenter ou de recharger de petits appareils à l’aide d’une bougie. La chaleur dégagée par la bougie est appliquée à l’une des jonctions, tandis que la seconde est à la température ambiante. Des deux côtés, le transfert de chaleur est amélioré par l’utilisation d’échangeurs (de type ailettes, par exemple) afin de maximiser l’écart de température des jonctions, et donc de la tension générée. Pour augmenter la tension, plusieurs modules peuvent être disposés en série. Pour augmenter l’intensité délivrée, ils seront disposés en parallèle (ou dérivation).

D’un point de vue plus concret, l’horloger japonais Seiko a commercialisé en 1998 la première montre alimentée par la chaleur du corps. Précisément, c’est la différence entre la température de la peau et celle de l’air qui est le « moteur » énergétique de la montre. Une jonction est thermiquement reliée à la peau ; la face arrière du boitier sert d’échangeur avec la peau. Tandis que l’autre est reliée à sa face avant : le contour du cadran sert d’échangeur avec l’air. Le prix de vente était toutefois très élevé (près de 3000€ au moment de la commercialisation).

Dans un futur plus ou moins proche, on peut envisager des applications industrielles et domestiques. Par exemple, utiliser la chaleur d’une cheminée pour produire (en plus de la chaleur traditionnelle) de l’électricité. Pourquoi ne pas également récupérer de la chaleur au dos d’un réfrigérateur ? Le principal souci réside dans le rendement, qui n’excède pas 15% du rendement de Carnot. Rappelons que ce dernier est égal à 1 – Tf/Tc. Dans le cas de la montre par exemple, si la température de l’air (Tf) est de 20°C (soit 293,15K), et celle de la peau (Tc) de 32°C (305,15K), on a un rendement maximum de l’ordre de 0,5%. Insistons sur le fait que ce rendement est théorique, et qu’il correspond au cas d’un échange thermique parfait (entre autre). Ce qui en pratique n’est jamais le cas. Les seules applications envisageables à l’heure actuelle sont donc celles où de la chaleur est perdue (exemple : cheminée d’une usine, etc…).

Le phénomène est en revanche couramment utilisé en métrologie. On exploite le fait qu’une différence de potentiel corresponde à une différence de température. Cela permet de fabriquer des instruments de mesure de température relativement précis (de l’ordre de +- 0,5°C) : les thermocouples.

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      Energie chimique -> Energie mécanique
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      Energie mécanique -> Energie thermique
         Les frottements
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      Energie électrique -> Energie thermique
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      Energie électrique -> Energie chimique
      Energie électrique -> Energie rayonnante
      Energie électrique -> Energie mécanique

      Energie thermique -> Energie électrique
         L'effet Seebeck
         La turbine à vapeur et l'alternateur (indirect)
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