Analyse expérimentale de la performance thermoélectrique des modules générateurs

Les générateurs thermoélectriques (GTE) sont des dispositifs capables de convertir un flux de chaleur en puissance électrique, qui peuvent être employés dans diverses applications. Pour cette raison, il est important d'évaluer leurs performances pour permettre leur utilisation dans des applications industrielles. Ce projet de maîtrise a pour but de faire une caractérisation thermoélectrique des modules générateurs qu'on nommera MTE, en ayant recours à une approche expérimentale basée sur la production d'une différence de température aux surfaces du module. Nous présentons alors un modèle de système de conditionnement et de mesure capable de déterminer les principaux paramètres d'un MTE, pour une large différence de température, sur des modules de dimensions 40 × 40 mm2 et ayant des longueurs de pattes variables (l= 1.5 mm et l= 2 mm). Les paramètres mesurés sont la tension en circuit ouvert VOC, le courant en court circuit ICC, la puissance maximale générée PMAX, le flux de chaleur QH ainsi que l'efficacité de conversion η. À partir de ces grandeurs, il est possible de remonter à la valeur de la résistance électrique interne R du module. Le système de conditionnement et de mesure est muni d'un bloc chaud composé de cartouches chauffantes et d'un bloc froid refroidi à l'eau, entre lesquels le module est compressé. Les températures des deux blocs sont mesurées par des thermocouples placés aux surfaces du MTE. Les procédures de chauffage et de refroidissement sont sous le contrôle d'un régulateur de température de type PID. La pression appliquée sur le module varie de 0 MPa à 1.275 MPa. La différence de température imposée aux surfaces du générateur TE permet de générer une puissance électrique, qui dépend de la pression appliquée. Le MTE à caractériser est connecté à un régulateur électronique de charge (résistance de charge). Les données provenant des thermocouples (température), du régulateur électronique de charge (courant-tension) ainsi que de la cellule de charge (pression) sont enregistrées dans l'ordinateur et les mesures sont assurées par un logiciel incorporé au système de mesure. La pression mécanique appliquée sur le MTE a permis d'augmenter la puissance électrique générée jusqu'à atteindre un plateau après 0.45 MPa. Des tests effectués sur des modules appartenant à un même lot (mêmes dimensions, mêmes longueurs des pattes et mêmes matériaux TE) ont démontré que ces MTE ne présentent pas la même performance TE. Des variations d'au moins 1% ont été observées.

Abstract

Thermoelectric generators (TEG) are devices used to recover heat for power generation, which may be employed in various applications. Thus, it is important to experimentally evaluate their performance to ensure an adequate design and to use them in industrial applications. This project aims to characterize thermoelectric generator modules, using an experimental approach based on the production of a temperature difference on the module surfaces. We present a test system capable of determining the main parameters of a TEG, over a large temperature difference, for a 40 × 40 mm2 module with different legs length (l= 1.5 mm et l= 2 mm). The measured parameters are the open circuit voltage VOC, the short circuit current ISC, the maximum generated power PMAX, the heat flux QH, and the conversion efficiency η. From these parameters, it is possible to retrieve the values of the electrical internal resistance R of the module. In the proposed measurement system, the TE module is compressed between the hot and the cold blocks of the system. The hot block uses three cartridge heaters and the cold block is cooled by water circulation. The temperatures of the two sides are measured by thermocouples placed on the surfaces of the module. The heating and cooling procedures are under the control of PID temperature controllers. The pressure applied on the module can be varied from 0 MPa to 1.275 MPa. The temperature difference imposed on the surfaces of the TEM allows generating electric power, which depends on the pressure applied. The TEM is connected to an electronic load «B&K precision 8500». Data collection from thermocouples (temperature), electronic load (current-voltage) and load cell (pressure) are recorded and managed by a software incorporated to the measurement system. Our measurements corroborate that as the mechanical pressure on the module increases, the generated power also increases until reaching a plateau at about 0.45 MPa. Different tests have demonstrated that TEMs belonging to the same batch (same dimensions, same TE materials, same legs length) don't have the same thermoelectric performance, a variability of at least 1% is observed, which is attributed to the variability introduced in the manufacturing process. Furthermore, TEM legs length affects its thermoelectric performance. The conversion efficiency is higher when the temperature difference increases. Finally, numerical simulations of one module using a finite element approach, under the same experimental conditions, revealed that the experimental and theoretical values are closed.