Sommaire
Effet Seebeck et principes TEG
Le générateur thermoélectrique repose sur un phénomène physique découvert en 1821 : lorsqu’une différence de température existe entre deux extrémités d’un conducteur ou de semi-conducteurs, il se crée spontanément une tension électrique. Cette transformation directe de chaleur en courant électrique permet de récupérer de l’énergie habituellement gaspillée, grâce à la conductivité et à la différence de potentiel générées.
Qu’est-ce que l’effet Seebeck
L’effet Seebeck produit une différence de potentiel proportionnelle à l’écart de température entre deux points d’un matériau. Le coefficient de Seebeck (en µV/K) mesure cette capacité : si les métaux classiques affichent des valeurs modestes, certains matériaux thermoélectriques atteignent plusieurs centaines de µV/K, améliorant ainsi l’efficacité de conversion.
Un générateur thermoélectrique assemble des centaines de couples p/n entre deux plaques. La face chaude capte la chaleur tandis qu’un dissipateur évacue les calories côté froid. Cette configuration maintient la différence de température nécessaire pour générer une tension électrique, même si une seule jonction produit environ 0,02 V sous 100 K.
Thermopiles et tension obtenue
Pour augmenter la tension, les couples p/n sont connectés en série dans une thermopile. La tension totale répond alors à l’équation Voc ≈ S_total × ΔT. Ce montage électrique en série, couplé à un arrangement thermique en parallèle, optimise à la fois le voltage disponible et le flux de chaleur traversant le module.
Ce système est réversible : utilisé comme générateur thermoélectrique, il convertit la chaleur en électricité; alimenté à l’inverse, il fonctionne comme refroidisseur via l’effet Peltier. C’est pourquoi un même module peut être désigné TEG ou TEC selon le sens du courant électrique.
Rendement, puissance et adaptation de charge
En pratique, l’efficacité des générateurs commerciaux varie entre 5 % et 8 %, limitée par la conductivité thermique interne et diverses pertes. La puissance récupérable dépend donc du flux de chaleur traversant le dispositif et de la différence de température maintenue.
Pour exploiter au mieux cette énergie, nous recommandons un convertisseur DC-DC équipé d’un algorithme MPPT, assurant une adaptation de charge optimale face aux fluctuations thermiques. Nos solutions combinent judicieusement le module adapté, un dissipateur approprié et une électronique performante pour transformer efficacement chaque watt de chaleur perdue en énergie utilisable.
Structure et matériaux TEG
Pour bien choisir votre module thermoélectrique, il est essentiel de connaître son fonctionnement interne. Les performances d’un TEG sont directement liées aux matériaux employés et à leur configuration. Voici les composants clés et les critères de sélection selon la plage de température souhaitée.
De quoi est fait un module
Un module thermoélectrique se compose de centaines de bras conducteurs p et n en semi-conducteurs, assemblés entre deux plaques céramiques isolantes. Ces éléments sont connectés en série par des liaisons en cuivre, permettant à la fois une circulation électrique et un transfert thermique efficace du côté chaud vers le côté froid.
La tension produite dépend de l’orientation thermique et du type de dopage des semi-conducteurs. En fonctionnement, les électrons circulent du chaud vers le froid dans les bras n, tandis que les trous font le trajet inverse dans les bras p. Ce double mouvement génère une tension continue directement utilisable ou adaptable.
- Bi 2 Te 3 (tellurure de bismuth) : le matériau de référence pour les températures modérées (jusqu’à 250°C). Son excellent facteur de mérite zT en fait le choix idéal pour les applications domestiques comme les poêles ou les systèmes de récupération de chaleur.
- PbTe et skutterudites : adaptés aux températures plus élevées (300-600°C), ces semi-conducteurs équipent souvent les systèmes industriels ou les échappements automobiles.
- SiGe (silicium-germanium) : réservé aux très hautes températures, ce matériau performant mais coûteux nécessite une installation complexe.
Les contraintes mécaniques posent un vrai défi dans la conception des TEG. Les variations de température provoquent des dilatations et sollicitent les soudures. Privilégiez les modules avec des couches tampons qui absorbent ces contraintes, surtout pour les applications soumises à des cycles thermiques fréquents.
Choisir le bon matériau
L’efficacité d’un matériau thermoélectrique se mesure par son facteur de mérite zT, calculé par l’équation zT = S²σT/κ. Cette formule prend en compte le coefficient de Seebeck (S), la conductivité électrique (σ), la température absolue (T) et la conductivité thermique (κ). Plus zT est élevé, meilleure est la conversion énergétique.
Chaque matériau a une température maximale à ne pas dépasser. Pour des applications domestiques autour de 250°C, le Bi 2 Te 3 offre le meilleur rapport qualité-prix. Pour des températures plus élevées (400-500°C), tournez-vous vers les skutterudites ou le PbTe, plus chers mais plus durables. Ce choix judicieux garantit une tension stable, une bonne efficacité et une longue durée de vie à votre installation.
Atteindre 12 V de sortie
Obtenir une sortie stable de 12 volts constitue un standard pour alimenter des équipements nomades ou recharger des batteries. Cette tension s’atteint selon trois paramètres clés : le nombre de modules thermoélectriques disponibles, le gradient de température réalisable et l’adaptation de charge électronique qui valorise la faible tension native d’un générateur thermoélectrique.
Série de modules ou convertisseur
Pour créer un générateur thermoélectrique 12V, deux approches principales existent : la connexion en série de plusieurs modules ou l’utilisation d’un convertisseur DC-DC. La première méthode cumule les tensions mais requiert une gestion thermique uniforme, tandis que la seconde élève la tension via l’électronique de puissance.
- Montage série : Connectez 3 à 5 modules identiques pour additionner leurs tensions jusqu’à 12V sous un ΔT constant, en veillant à uniformiser le refroidissement sur le côté froid de chaque module.
- Convertisseur MPPT : Un booster intelligent avec suivi du point de puissance maximale transforme 3-5V en 12V régulés à partir d’un seul TEG, optimisant le rendement.
- Solution hybride : Combinez 2-3 modules en série avec une stabilisation électronique, offrant plus de courant sans surcharge thermique.
Pour compléter votre installation, cette station d’énergie portable 600W/512Wh propose une solution de stockage polyvalente avec batterie LiFePO4 (7kg, 3000 cycles), protections intégrées et sorties multiples (AC/USB-C/12V), idéale pour usage mobile ou secours.
Stockage et stabilisation
L’adaptation de charge optimale est cruciale pour maximiser la puissance extraite d’un générateur thermoélectrique. Un convertisseur MPPT ajuste dynamiquement l’impédance pour s’adapter à la résistance interne du module, compensant ainsi les variations de température.
Nous recommandons systématiquement d’intercaler une batterie LiFePO4 ou un supercondensateur entre le TEG et la charge finale. Ce tampon énergétique lisse les fluctuations, fournit une tension stable et permet des pics de consommation dépassant la capacité instantanée du générateur.
Bonnes pratiques thermiques
Améliorer le ΔT apporte souvent plus de gains qu’ajouter des modules. Portez une attention particulière au côté froid : un radiateur adapté, une ventilation active ou un refroidissement liquide peuvent doubler la puissance simplement par une meilleure dissipation thermique.
Produire du 220 V efficacement
Transformer l’énergie d’un générateur thermoélectrique en courant alternatif 220 V représente un défi technique plus complexe qu’il n’y paraît. Les multiples conversions entraînent des pertes d’énergie significatives qu’il faut mettre en balance avec les solutions fonctionnant en courant continu. Nous examinons ici les configurations réellement utilisables et leurs principales contraintes pratiques.
Chaîne DC puis onduleur
Pour obtenir du 220 V AC à partir d’un TEG, il faut d’abord produire une tension continue suffisante avant sa conversion en alternatif via un onduleur AC. Deux approches existent :
- Montage en série : Assembler 6 à 10 modules sous un fort gradient thermique (ΔT) permet d’atteindre les 24-48 V nécessaires.
- Conversion boost : Un convertisseur élévateur peut compenser lorsque la tension des modules est insuffisante.
Cette énergie DC stabilise ensuite une batterie intermédiaire qui alimente l’onduleur produisant le 230 V final.
Points clés de l’installation
- Génération DC : Viser au moins 24 V pour minimiser les pertes dans l’onduleur
- Stockage : Une batterie LiFePO4 avec BMS assure la stabilité malgré les variations thermiques
- Conversion AC : Choisir un onduleur pur sinus avec rendement >90%
Sous un ΔT de 200°C, un module standard de 40×40 mm ne produit que quelques watts. Une installation de puissance 100W requiert donc 15-20 modules avec un dissipateur efficace. Ces contraintes expliquent pourquoi les solutions hybrides ou 12V DC sont souvent préférables pour de faibles besoins.
Limites et alternatives DC
Le rendement global d’une chaîne générateur thermoélectrique → onduleur AC dépasse rarement 30-40% de la puissance théorique. Chaque conversion (boost, batterie, onduleur) engendre 10-20% de pertes supplémentaires.
Pour des systèmes nomades, cette station portable de 7,5 kg avec batterie LiFePO4 et onduleur intégré offre une alternative plus pratique qu’une installation à base de TEG dans bien des cas.
Applications et kits pratiques
Passons de la théorie à la pratique avec des montages adaptés aux besoins du quotidien. Nous vous partageons notre expérience pour vous aider à réaliser des projets efficaces, qu’il s’agisse d’un petit poêle de camping ou d’une installation industrielle.
Montage poêle et sécurité
Pour créer un générateur thermoélectrique pour poêle, positionnez un module Bi2Te3 contre la paroi chaude à l’aide d’une plaque métallique. L’isolation thermique côté chaud dirige la chaleur tandis qu’un dissipateur équipé d’un ventilateur 12V évacue la chaleur côté froid. Ce système maintient généralement une différence de température (ΔT) entre 100 et 150 K selon les conditions.
- Contact thermique : utilisez une pâte très conductrice (> 4 W/m·K) entre le module et les surfaces pour garantir un bon transfert de chaleur et éviter les bulles d’air.
- Fixation : répartissez la pression avec 4 à 6 points de fixation en utilisant des ressorts ou des rondelles élastiques pour compenser la dilatation thermique.
- Sécurité électrique : installez un fusible et un régulateur de tension pour protéger le circuit contre les surtensions dues aux variations brusques de température.
Attention à ne pas dépasser 250°C, température maximale supportée par les modules Bi2Te3. Un thermocouple connecté à un système de gestion peut couper l’alimentation en cas de surchauffe. Prévoir également une ventilation passive comme solution de secours.
Mesures et électronique utile
Pour tester votre générateur thermoélectrique fait maison, commencez par mesurer la tension à vide et le courant de court-circuit sous différentes températures. Tracez ensuite la courbe puissance-température pour déterminer le point de fonctionnement optimal de votre installation.
Pour les applications mobiles, les convertisseurs TEG-USB (0,5–5 V avec MPPT intégré) sont recommandés. Un module de 40 × 40 mm bien refroidi peut produire entre 0,5 et 3 W, suffisant pour alimenter de petits appareils électroniques.
Écosystème nomade Aqiila
Notre gamme Aqiila 2025 propose des solutions clé en main pour récupérer l’énergie thermique : lampes LED, chargeurs USB et autres accessoires compatibles avec les générateurs thermoélectriques standards. Cette approche simplifie l’installation tout en optimisant la puissance disponible.
À titre de comparaison, cette station solaire portable de 300W avec batterie LiFePO4 propose plus de 4000 cycles et se recharge de multiples façons. Pesant environ 4,4 kg avec écran LCD et connexion Bluetooth, elle constitue une alternative intéressante aux solutions thermiques.