Cellules à effet Peltier Bilan thermique et exemples d application

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1 Cellules à effet Peltier Bilan thermique et exemples d application François Penot CNRS LET ENSMA Poitiers - Futuroscope

2 ntérêts pratiques de la thermoélectricité, le point de vue du thermicien Production de froid, sans pièces mécaniques en mouvement. Production d électricité directement à partir d écarts de température

3 Machine thermique dont on fait le bilan énergétique global par une approche système thermique

4 Le Bilan thermique on part de la vision classique

5 Le Bilan thermique on part de la vision classique Q F T F N P T C Q C

6 Le Bilan thermique Des résistances thermiques existent Q F céramique T F N P céramique T C Q C

7 Le Bilan thermique Des résistances thermiques existent Q F céramique T F N P céramique T C Q C

8 Le Bilan thermique Des résistances thermiques existent Q F céramique T F N P céramique T C échangeur Q C

9 Le Bilan thermique Des résistances thermiques existent Q F céramique T F N P céramique échangeur T C Q C

10 Le Bilan thermique Des résistances thermiques existent Q F céramique T F N P céramique échangeur T C T amb Q C volume extérieur

11 Le Bilan thermique Des résistances thermiques existent Q F céramique T F N P céramique échangeur T C T amb Q C volume extérieur

12 Le Bilan thermique Des résistances thermiques existent Q F volume intérieur céramique T F N P céramique échangeur T C T amb Q C volume extérieur

13 Le Bilan thermique Des résistances thermiques existent Q F T int volume intérieur céramique T F N P céramique échangeur T C T amb Q C volume extérieur

14 Le Bilan thermique Des résistances thermiques existent Pertes Q F T int volume intérieur céramique T F N P céramique échangeur T C T amb Q C volume extérieur

15 Les équations de bilan des éléments Peltier Bilan du côté froid Q F 1 2 = n α TF R K C F 2 ( T T ) Bilan du côté chaud Q C 1 2 = n α TC + R K C F 2 ( T T )

16 Les équations de bilan des 2 échangeurs extrêmes Bilan du volume intérieur m int T t int = h int S ( Tamb Tint ) QF pertes vers les ambiances côté froid et côté chaud Bilan du volume extérieur m ext T t ext = h ext S ( Text Tamb ) QC

17 Des anomalies possibles Pertes Q F T int volume intérieur céramique N fuites internes P T F céramique échangeur T C T amb Q C volume extérieur

18 Corrections La conductance thermique K, doit être modifiée pour tenir compte de ces pertes dues aux échanges radiatifs, convectifs et conductifs à l intérieur même de la CEP.

19 Les équations de bilan Bilan d une résistance de contact équivalente à une lame d T = λ ' ( T int T ) Q Q F mextcp ext = t e Bilan d une céramique T λ S " ( T T ) Q ' cér cér Q F mcércpcér = S cér int cér ext = t ecér Bilan d une seconde résistance de contact de l autre côté de la céramique T λ "' ( T int T ) Q " Q F mextcp = S ext = t e F F F

20 Corrections La conductance thermique K, doit être modifiée pour tenir compte de ces pertes dues aux échanges radiatifs, convectifs et conductifs à l intérieur même de la CEP. Les flux de chaleur extraits ne sont pas les flux de chaleur Q F et Q C. Les pertes Joules ne sont pas équitablement réparties entre la face chaude et la face froide.

21 Modélisation par une approche nodale analogie thermique électrique température flux de chaleur masse thermique résistance thermique tension électrique intensité capacité résistance électrique

22 L approche nodale analogie thermique électrique température flux de chaleur masse thermique résistance thermique tension électrique intensité capacité résistance électrique On obtient un réseau électrique équivalent au réseau thermique

23 T amb Pertes Q F T int volume intérieur T F N fuites internes P Q F Q C T C Tamb Q C volume extérieur T amb

24 Quelques réalisations - Production de froid ou de chaud : Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique. jet annule régulé en température ventilateur ECHANGEUR Breveté Sortie du jet Aspiration Objet

25 Quelques réalisations - Production de froid ou de chaud : Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique. double circuit de ventilation extérieur ECHANGEUR VENTLATEUR MOTEUR CELLULE PELTER toit intérieur ZONE DE RECRCULATON D'AR

26 Quelques réalisations - Production de froid ou de chaud : Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique. ECHANGEUR VENTLATEUR MOTEUR CELLULE PELTER 15 cellules à effet Peltier réparties sur une couronne circule ZONE DE RECRCULATON D'AR

27 Quelques réalisations - Production de froid ou de chaud : Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique. CEP disposées autour du ventilateur et détail

28 Quelques réalisations - Production de froid ou de chaud : Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique. échangeur à aiguilles (très performant) et détail

29 Quelques réalisations - Production de froid ou de chaud : Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique. Coupe horizontale Coupe verticale Visualisations par tomographie laser

30 Quelques réalisations - Production de froid ou de chaud : Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique. Visualisations par tomographie laser, avec un mannequin

31 Quelques réalisations - Production de froid ou de chaud : Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique. Visualisations par tomographie laser, avec un mannequin, vues en coupe verticale montrant le volume climatisé.

32 Quelques réalisations - Production de froid ou de chaud : Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique. froid chaud champs de vitesse froid chaud champs de température

33 Quelques réalisations - Production de froid ou de chaud : Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique. - Production de froid et de chaud : la fontaine réfrigérée et chauffée

34 Quelques réalisations - Production de froid et de chaud : la fontaine réfrigérée et chauffée 0,5 L d eau àla température de 80 C 1,5 L d eau àla température de + 5 C

35 Quelques réalisations - Production de froid et de chaud : la fontaine réfrigérée et chauffée 0,5 L d eau àla température de 80 C 2 cellules à effet Peltier breveté 1,5 L d eau àla température de + 5 C

36 Quelques réalisations - Production de froid et de chaud : la fontaine réfrigérée et chauffée 0,5 L d eau àla température de 80 C 2 cellules à effet Peltier breveté 1,5 L d eau àla température de + 5 C 1 échangeur en convection forcée

37 Quelques réalisations - Production de froid et de chaud : la fontaine réfrigérée et chauffée, vue de l échangeur échangeur latéral pour le réservoir d eau froide emplacement de la CEP pour le réservoir d eau chaude CEP pour le réservoir d eau froide échangeur à ailettes ventilé

38 Quelques réalisations - Production de froid et de chaud : la fontaine réfrigérée et chauffée, vue du prototype réservoir d eau de 5 L réservoir d eau froide réservoir d eau chaude échangeur

39 Quelques réalisations - Production de froid et de chaud : la fontaine réfrigérée et chauffée, résultats de mesures Eau froide Eau chaude T2 T1 T3 entretoise ambiante

40 Quelques réalisations - Production de froid ou de chaud : Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique. - Production de froid et de chaud : la fontaine réfrigérée et chauffée - Production d électricité : le pull thermoélectrique

41 - Production d électricité : Quelques réalisations le pull thermoélectrique (imaginé pour des étudiants de l ENSMA) 1 tricot de thermocouples en série parallèle jonctions avec un écart de température de l ordre de 10 C.

42 - Production d électricité : Quelques réalisations le pull thermoélectrique : agencement des fibres

43 - Production d électricité : Quelques réalisations le pull thermoélectrique : modèle couplé thermique, électrique ATF = QF + K p ( TC TF ) + R ATC = QC K p ( TC TF ) + R 2 U = A ( T T ) R C F 2 Bilan énergétique 4 U tot = nu 5 tot = n Nombre de jonctions Bilan électrique 6 U = R Résistance de tot C tot charge

44 - Production d électricité : Quelques réalisations le pull thermoélectrique : des résistances thermiques de contact

45 - Production d électricité : Quelques réalisations le pull thermoélectrique : un modèle électrique équivalent

46 - Production d électricité : Quelques réalisations le pull thermoélectrique : une simulation : 2,5 W sous 10 Ω Puissance W K m

47 Conclusion L approche thermique des CEP apporte des renseignements complémentes. On peut fe des réalisations concrètes mais avec de mauvais rendements. Les CEP ne sont pas optimisées thermiquement l faut considérer le système thermique complet, Faciliter les flux thermiques Minimiser les pertes Des progrès restent à fe dans l intégration des CEP dans les systèmes thermiques Concevoir des cellules spécifiques aux applications souhaitées.