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THESE PRESENTEE A L’UNIVERSITE DE PAU ET DES PAYS DE L’ADOUR ECOLE DOCTORALE DE

THESE PRESENTEE A L’UNIVERSITE DE PAU ET DES PAYS DE L’ADOUR ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES EXACTES ET DE LEURS APPLICATIONS Par Camille FAVAREL POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR Spécialité : GENIE ELECTRIQUE/ÉNERGÉTIQUE Optimisation de générateurs thermoélectriques pour la production d’électricité Soutenue le 2 juillet 2014 Devant la commission d’examen constituée de : M G. FRAISSE Professeur - Université de Savoie - Rapporteur M. C. GOUPIL Professeur - Université Paris Diderot ENSICAEN- Rapporteur M. B.MULTON Professeur - ENS Rennes M. P. PIGNOLET Professeur - Université de Pau et des Pays de l’Adour M. J. P. BÉDÉCARRATS Professeur - Université de Pau et des Pays de l’Adour M. D. CHAMPIER Maitre de Conférences - Université de Pau et des Pays de l’Adour 2 3 Remerciements Je voudrais tout d’abord commencer par remercier les investigateurs de ces travaux, et également directeurs de thèse Messieurs Jean-Pierre BÉDÉCARRATS et Daniel CHAMPIER pour toute la confiance qu’ils m’ont apportée pendant ces trois années, ce fut un véritable plaisir de travailler avec eux. J’ai appris beaucoup à leur contact et je tiens à souligner la qualité de leur encadrement et leur très grande disponibilité qui m’a permis de réaliser ces travaux dans les meilleures conditions possibles. Je tenais également à saluer la collaboration entre les deux laboratoires qui m’ont accueilli, le LaTEP et le SIAME, elle m’a permis de bénéficier de compétences complémentaires essentielles à la bonne conduite de ce projet. Je tiens ensuite à remercier vivement Messieurs Christophe GOUPIL et Gilles FRAISSE pour avoir accepté de rapporter cette thèse. Je tiens également à faire des remerciements particuliers aux autres membres du jury, Monsieur Pascal PIGNOLET qui m’a accueilli dans son laboratoire et m’a donné ma toute première expérience de recherche il y a 6 ans et Monsieur Bernard MULTON qui lors de mon passage à l’ENS Cachan m’a convaincu de poursuivre mes études en thèse. Je voudrais également remercier Tarik KOUSKSOU, le quatrième membre de notre équipe thermoélectricité, pour ses conseils concernant le code numérique et la mécanique des fluides. Je remercie aussi Youssef ZERAOULI, Cécile ARRONDO et Jean-Luc SAUBATTE de l’IUT GTE de Pau ainsi que Ivan PUJOL de l’ONG Planète Bois pour leur aide et leur expertise en particulier sur le prototype de cuisinière bois autonome. Un grand merci à Thierry MESPLOU CANDAU et Patrick PLOURABOUE pour leur aide lors de la fabrication des cartes électroniques. Je remercie également Laurent MARLIN, Michel MANGIN, Arnaud COTEL et Patrick GELIZE de l’atelier de Physique générale de l’Université de Pau pour leurs nombreux conseils et leur disponibilité. Je remercie aussi Robert RUSCASSIE pour les nombreuses séances de piscines où j’ai pu de me décontracter en particulier pendant la période de rédaction. Je n’oublie pas mes directeurs de laboratoire, Pierre CEZAC et Christian LABORDERIE ainsi que l’ensemble des membres des deux laboratoires qui m’ont permis d’effectuer ces travaux dans une excellente ambiance, Antoine, Laurent, Thierry, Anca, Marc, Cécile, Emilie, Cédric, Stéphane, Erwin, Didier, Frédéric et ceux que j’oublie, je me suis toujours senti chez moi dans chacun des laboratoires. Merci à tous les doctorants que j’ai pu côtoyer durant cette thèse, Romain, Justin, Charly, Sonia, Lorenzo, Adrien, Éric, William, Jean-Baptiste et tous les autres, merci pour votre soutient. 4 Enfin je veux remercier ma famille qui m’a soutenu pendant ces années et particulièrement ma compagne Océane et ma fille Hélina qui depuis plusieurs années me font avancer. Merci pour tout ce que vous m’apportez, je ne vous le dirai jamais assez. 5 Table des matières Remerciements ........................................................................................................................... 3 Introduction générale .................................................................................................................. 9 I. Etude bibliographique ....................................................................................................... 13 I.1 Historique et effets thermoélectriques ....................................................................... 13 I.1.1 Historique ........................................................................................................... 13 I.1.2 Effets thermoélectriques ..................................................................................... 15 I.1.3 Association de matériaux thermoélectriques ...................................................... 17 I.2 Générateur thermoélectrique ..................................................................................... 18 I.2.1 Module thermoélectrique ................................................................................... 18 I.2.2 Echangeurs de chaleur ........................................................................................ 19 I.2.3 Facteur de mérite ................................................................................................ 19 I.3 Applications ............................................................................................................... 22 I.3.1 Production d’électricité en milieu extrême ........................................................ 22 I.3.2 Générateur thermoélectrique utilisant de la chaleur perdue ............................... 28 I.3.3 Application aux milieux décentralisés ............................................................... 32 I.3.4 Micro production pour capteurs et micro-électronique ...................................... 38 I.3.5 Solaire thermoélectrique .................................................................................... 41 I.4 Modèles et optimisations des générateurs thermoélectriques .................................... 41 I.4.1 Modèles de module TE ..................................................................................... 41 I.4.2 Optimisation de TEG ......................................................................................... 42 I.5 Conclusion de l’étude bibliographique ...................................................................... 43 II. Caractérisation des modules thermoélectriques et des convertisseurs .......................... 45 II.1 Caractérisation des modules thermoélectriques ........................................................ 45 II.1.1 Modélisation d’un module thermoélectrique et caractéristique ......................... 45 II.1.2 Présentation du système ..................................................................................... 46 II.1.3 Protocole de mesure ........................................................................................... 48 II.1.4 Résultats ............................................................................................................. 49 II.1.5 Comparaison en puissance des différents constructeurs .................................... 58 II.1.6 Comparaison module/barreau thermoélectrique ................................................ 61 II.2 Convertisseur DC/DC à MPPT .................................................................................. 65 II.2.1 Introduction ........................................................................................................ 65 6 II.2.2 Présentation et rôles du convertisseur ................................................................ 66 II.2.3 Cahier des charges et choix de la structure du convertisseur ............................. 66 II.2.4 Optimisation du rendement DC/DC convertisseur ............................................. 68 II.2.5 Choix des composants ........................................................................................ 69 II.2.6 Présentation de l’algorithme MPPT ................................................................... 69 II.2.7 Optimisation des paramètres de l’algorithme MPPT ......................................... 71 II.2.8 Fabrication de la carte électronique.................................................................... 76 II.3 Caractérisation des convertisseurs DC/DC à MPPT ................................................. 77 II.3.1 Première version du dispositif de mesure .......................................................... 77 II.3.2 Protocole expérimental ....................................................................................... 78 II.3.3 Analyse des résultats .......................................................................................... 79 II.3.4 Deuxième version du dispositif de mesure ........................................................ 81 II.4 Conclusion des différentes caractérisations ............................................................... 83 III. Boucle thermoélectrique ............................................................................................... 85 III.1 Introduction ............................................................................................................... 85 III.2 Boucle thermoélectrique ............................................................................................ 85 III.2.1 Objectif et cahier des charges ............................................................................. 85 III.2.2 Générateur thermoélectrique .............................................................................. 86 III.2.3 Boucle chaude .................................................................................................... 86 III.2.4 Boucle froide ...................................................................................................... 90 III.2.5 Instrumentation (mesure de température)........................................................... 94 III.3 Campagne expérimentale .......................................................................................... 95 III.3.1 Définitions préalables ......................................................................................... 95 III.3.2 Protocole expérimental ....................................................................................... 97 III.3.3 Essais de sensibilité ............................................................................................ 98 III.3.4 Résultats expérimentaux de la campagne ........................................................... 99 III.4 Conclusion sur la boucle thermoélectrique ............................................................. 106 IV. Modélisation et validation ........................................................................................... 107 IV.1 Nomenclature ........................................................................................................... 107 IV.2 Introduction ............................................................................................................. 109 IV.3 Comparaison des différents modèles ....................................................................... 109 IV.3.1 Introduction ...................................................................................................... 109 IV.3.2 Cadre de la comparaison .................................................................................. 109 7 IV.3.3 Description des modèles ................................................................................... 110 IV.3.4 Résultats ........................................................................................................... 113 IV.3.5 Conclusion sur les modèles thermoélectriques ................................................ 114 IV.3.6 Intégration des modèles dans le code numérique ............................................. 114 IV.4 Code Boucle thermoélectrique ................................................................................ 115 IV.4.1 Méthodologie et équations thermoélectriques .................................................. 115 IV.4.2 Code 1D ............................................................................................................ 116 IV.4.3 Hypothèses ....................................................................................................... 118 IV.4.4 Structure du code .............................................................................................. 118 IV.4.5 Transferts thermiques ....................................................................................... 120 IV.4.6 Détermination des coefficients d’échanges convectifs des échangeurs ........... 122 IV.4.7 Code 2D ............................................................................................................ 124 IV.5 Comparaison code/ essai expérimentaux ................................................................. 127 IV.5.1 Choix du maillage ............................................................................................ 127 IV.5.2 Paramètres d’ajustement .................................................................................. 129 IV.5.3 Paramètres d’entrée du code............................................................................. 131 IV.5.4 Température de sortie ....................................................................................... 133 IV.5.5 Comparaison avec la configuration à 68% ....................................................... 133 IV.5.6 Comparaison avec la configuration τ=34% en Ligne....................................... 139 IV.5.7 Comparaison avec la configuration τ=34% en Quinconce............................... 142 IV.5.8 Bilan de la comparaison code/expérimentation................................................ 144 IV.6 Conclusion ............................................................................................................... 145 V. Optimisations .............................................................................................................. 147 V.1 Introduction ............................................................................................................. 147 V.2 Optimisations analytiques ........................................................................................ 147 V.2.1 Sources de températures idéales ....................................................................... 147 V.2.2 Source de température réelle ............................................................................ 148 V.3 Méthode d’optimisation ........................................................................................... 156 V.3.1 Structure de l’optimisation ............................................................................... 156 V.3.2 Algorithme génétique ....................................................................................... 157 V.3.3 Paramètres de l’optimisation ............................................................................ 159 V.4 Optimisation Bi2Te3 pour divers débits d’air et diverses températures ................... 160 V.5 Optimisation multi-matériaux .................................................................................. 165 8 V.6 Optimisation multi-constructeurs ............................................................................ 168 V.6.1 Dm=30 kg/h ...................................................................................................... 168 V.6.2 Dm=50 kg/h ...................................................................................................... 169 V.6.3 Dm=68 kg/h ...................................................................................................... 170 V.6.4 Dm=86 kg/h ...................................................................................................... 171 V.6.5 Bilan de l’optimisation multi-constructeur ...................................................... 171 V.7 Conclusion ............................................................................................................... 173 Références .............................................................................................................................. 177 Annexe I. Documentation Thermonamic ............................................................................... 183 Annexe II. Cuisinière bois Planète Bois ................................................................................. 185 Annexe III. Dimensionnement convertisseur DC/DC ............................................................ 195 Annexe IV. Plans de fabrication ............................................................................................ 197 Annexe V. Etalonnage des thermocouples ............................................................................. 199 Annexe VI. Evolution de la température du gaz à l’entrée et à la sortie du TEG .................. 201 9 Introduction générale L’alimentation et le chauffage sont des besoins fondamentaux de l’être humain. Il y a très longtemps la maîtrise du feu lui a permis d’améliorer ses conditions de vie. Depuis il a cherché à diversifier ses moyens de production d’énergie thermique, puis à diversifier les formes d’énergie. Aujourd’hui les êtres humains cherchent principalement à gérer les énergies et leurs utilisations dans des perspectives de développement durable. C’est dans ce contexte que s’inscrivent les diverses directives de la Commission Européenne qui peuvent se résumer par l’objectif dit « 20-20-20 » adopté en 2008. L’objectif « 20-20-20 » vise pour 2020 à :  Diminuer de 20 % les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) par rapport aux émissions de 1990 ;  Réduire de 20 % la consommation d'énergie par le biais de l'amélioration de l'efficacité énergétique;  Atteindre 20 % d'énergies renouvelables dans le bouquet énergétique. Très récemment, le 22 Janvier 2014, une nouvelle proposition de la Commission Européenne allant en faveur d’un renforcement de cette politique énergie-climat a été publiée. Il s’agit d’atteindre une réduction des GES de 40 % et un taux de 27% d'énergies renouvelables à l’horizon 2030. C’est dans ce cadre que la thermoélectricité prend son essor uploads/Geographie/ favarel.pdf