Brevet FR2889357A1 — publié le 20070202

PILE THERMOELECTRIQUE A AMPLIFICATION DE TENSION L'invention concerne les sources d'alimentation en énergie électrique de très faible puissance, fondées sur l'énergie développée par les électrons en présence de gradients thermiques. Par opposition à d'autres sources de conversion d'énergie en électricité, telles que les capteurs photovoltaïques, qui ne peuvent fournir d'énergie que s'ils sont éclairés, la présente invention s'intéresse essentiellement aux capteurs qui utilisent un effet thermoélectrique, c'est-à-dire qui convertissent en énergie électrique le mouvement de diffusion d'électrons en présence de gradients thermiques. 1 o L'effet thermoélectrique le plus connu est l'effet Seebeck, plus communément appelé effet de thermocouple, qui sert en général non pas à la production d'énergie à partir d'un gradient de températures, mais à la détection d'une différence de températures. Cet effet est particulièrement sensible lorsqu'on utilise deux fils de métaux différents soudés à leur première extrémité, la deuxième extrémité de chaque fil étant libre. Si on place la première extrémité à une température Ti, les deuxièmes extrémités étant à une température différente T2, on constate l'apparition d'une différence de potentiel d'autant plus grande que la différence de températures est grande. Cependant, l'énergie produite est faible et la différence de potentiel engendrée, même pour des écarts de température de plusieurs centaines de degrés, est faible. C'est pourquoi on a déjà proposé de faire des assemblages de thermocouples en série, pour augmenter la différence de potentiel aux bornes de la série, ou des assemblages en série et en parallèle, pour augmenter non seulement la différence de potentiel mais l'énergie produite (brevet WO 9946823 A1). L'expérience montre que les tensions obtenues sont insuffisantes pour alimenter des circuits électroniques usuels, alors même que certains de ces circuits nécessitent, pour fonctionner, une énergie relativement faible qui pourrait être fournie par utilisation de l'effet Seebeck. Les circuits électroniques nécessitent en général une tension d'alimentation de plusieurs volts. Cela résulte du fait que ces circuits utilisent le plus souvent des transistors et diodes au silicium dont les jonctions nécessitent une tension d'au moins 0,6 volts pour devenir conductrices. L'invention a pour but de proposer une solution à cette difficulté. Selon l'invention, on propose une pile thermoélectrique fondée sur l'effet Seebeck, qui comporte un ensemble en série ou série-parallèle de plusieurs thermocouples, alimentant un circuit oscillant fournissant une tension alternative d'amplitude supérieure à la tension d'alimentation, l'oscillateur utilisant un transistor fonctionnant sous une tension d'alimentation de quelques dizaines de millivolts (de préférence entre 30 et 100 millivolts) entre émetteur et collecteur. Le transistor est de préférence en germanium, avec lequel on arrive à obtenir un gain en courant voisin de 1 pour une tension d'alimentation ne dépassant pas 35 à 40 millivolts. L'oscillateur comporte de préférence des circuits à inductance et capacités, la tension d'alimentation étant appliquée sur une prise intermédiaire de l'enroulement primaire d'un transformateur, l'enroulement primaire, relié au collecteur du transistor, étant connecté en parallèle avec une capacité et fournissant une tension de sortie, un enroulement secondaire étant relié à la base du transistor. L'oscillateur peut fournir un signal alternatif (par exemple un signal 20 envoyé sur une antenne ou sur une bobine), ou il peut être associé à un redresseur à diodes pour fournir une tension continue. L'invention est applicable dans tous les contextes où on bénéficie d'un gradient de température, même faible, et où on souhaite utiliser ce gradient comme source d'énergie électrique. Un exemple en est la transmission d'informations sur les températures d'un moteur en utilisant comme source d'énergie les gradients thermiques présents dans le moteur. Un autre exemple est la transmission d'un signal de détresse pour des personnes enfouies dans une avalanche de neige ou sous la terre, en uilisant le gradient de température entre le corps humain et l'environnement extérieur dans lequel les personenes sont enfouies. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente le principe général d'un thermocouple à effet Seebeck; - la figure 2 représente la mise en série d'un ensemble de thermocouples; - la figure 3 représente le principe général de l'invention; - la figure 4 représente le schéma équivalent d'un transistor. La figure 1 symbolise un thermocouple formé à partir de deux fils F et F' de métaux différents, soudés en leur première extrémité S et ayant 10 chacun une deuxième extrémité libre, P et P' respectivement. Le sommet S est porté à une température Ti; les extrémités libres sont portées à une température T2. Il apparaît grâce à l'effet Seebeck une différence de potentiel Es entre les points P et P', liée à la nature des deux métaux, et d'autant plus grande que la différence de température T1T2 est grande. La différence de potentiel peut être de plusieurs millivolts. La figure 2 représente un ensemble TH, en série, de plusieurs thermocouples, l'extrémité P' d'un fil F' d'un premier thermocouple étant reliée à l'extrémité P du premier fil F d'un deuxième thermocouple, et ainsi de suite dans la série. Tous les sommets S sont portés à une température Ti, et toutes les extrémités P et P' sont portées à une température T2. La tension globale obtenue entre une borne A (premier fil du premier thermocouple) et une borne M (deuxième fil du dernier thermocouple) de l'ensemble en série est n.Es s'il y a n thermocouples en série. Il pourrait y avoir plusieurs ensembles en série, mis en parallèle les uns avec les autres, pour fournir une énergie supérieure. La tension fournie entre A et M par l'ensemble de thermocouples TH est appliquée, selon l'invention, en tant que tension d'alimentation à un oscillateur à transistor schématisé à la figure 3. L'oscillateur comprend, en tant qu'élément actif, un transistor T. Le transistor T est capable de fonctionner avec un gain en courant voisin de 1 même pour une tension d'alimentation inférieure à 100 millivolts, par exemple une tension aussi faible que 35 à 40 millivolts. Ici, le transistor T est un transistor NPN au germanium, Le gain en courant d'un transistor, expliqué en référence au 35 schéma équivalent de transistor représenté à la figure 4, est une valeur R telle que (3 = le/lb, où lb est le courant de base et le est le courant de collecteur. Le schéma équivalent peut être représenté sous forme simplifiée comme une impédance d'entrée h11 entre la connexion de base B du transistor et la connexion d'émetteur E, et une source de courant de valeur Rlb entre la connexion de collecteur C et la connexion d'émetteur E. Le gain en courant 13, c'est-à-dire le rapport entre le courant de collecteur et le courant de base, est sensiblement constant dans des conditions usuelles de fonctionnement du transistor, c'est-à-dire lorsque sa tension baseémetteur dépasse une valeur de seuil dépendant du type de 1 o jonction présente dans le transistor. Lorsque la tension base-émetteur est très faible on constate que le gain se met à dépendre beaucoup de la valeur de cette tension. Cependant, on a constaté que le gain pouvait rester voisin de 1 même pour des valeurs inférieures à 100mV. Avec un gain voisin de 1, il est possible de produire une tension d'oscillation dans un montage tel que celui de la figure 3. Avec un montage de type LC en sortie, on peut obtenir une tension de sortie oscillante très supérieure à la tension d'alimentation, et c'est ce que l'on cherche ici. Le montage de la figure 3 comporte, outre le transistor T qui a son émetteur E relié à la borne d'alimentation M, les éléments suivants: - une capacité Cb entre base B et émetteur E du transistor T. - un ensemble d'inductances montées en transformateur pour établir d'une part une contre-réaction du collecteur vers la base en vue d'une oscillation et d'autre part une surtension en sortie; - une capacité Cf entre les bornes d'alimentation A et M; - une capacité Cs entre les sorties D1 et D2 du montage. L'ensemble d'inductances montées en transformateur comprend un enroulement primaire et un enroulement secondaire. L'enroulement primaire est relié entre les sorties D1 et D2, la sortie D2 étant reliée au collecteur C du transistor. Cet enroulement comporte une prise intermédiaire, de sorte qu'on peut considérer qu'il comprend deux inductances en série Lc (entre D2 et la prise intermédiaire) et Lo (entre D1 et la prise intermédiaire). La prise intermédiaire est reliée à la borne positive A de l'alimentation. L'enroulement secondaire, couplé à l'enroulement primaire (directement ou éventuellement par l'intermédiaire d'un noyau magnétique), est constitué par une inductance Lb reliée entre la prise intermédiaire (donc la borne d'alimentation A) et la base du transistor T. En fonctionnement, l'enroulement primaire rétroagit sur l'enroulement secondaire pour faire osciller le montage, même avec un gain en courant R égal à 1 ou voisin de 1. Pour cela il faut que le rapport (Lb/Lc)1"2 soit voisin de la valeur de a. D'autre part, la tension de sortie aux bornes Dl et D2 est très supérieure à la tension d'alimentation dès lors que le rapport Lo/Lc est suffisamment grand. Une tension 10 fois supérieure à la tension d'alimentation peut être obtenue. Le principe de l'invention fonctionne même avec des gradients de température très faibles, par exemple la différence de température entre la 15 main (33 C) et un corps à température ambiante (25 C). Au moins deux types d'application peuvent être envisagées: -applications pour transmettre un signal utile représentant la différence de température T1-T2 à laquelle les thermocouples réagissent pour fournir la tension d'alimentation de l'oscillateur; - applications comme source de tension, alternative ou continue. Dans le premier cas, on utilise telle quelle la tension oscillante Vs obtenue entre les bornes de sortie Dl et D2 de l'oscillateur, et on la transmet comme on le désire (les enroulements peuvent même servir d'éléments rayonnants pour une transmission sans fil). Le niveau d'amplitude de la tension transmise dépend alors directement de la différence de températures, et ce niveau est suffisamment élevé pour pouvoir être détecté à distance. Dans le deuxième cas, la tension de sortie entre les bornes Dl et D2 peut être appliquée à un redresseur classique à diodes qui va fournir une tension ayant une composante continue. Cette tension, après filtrage, peut servir de tension d'alimentation pour des circuits électroniques si elle dépasse quelques volts. Parmi les applications possibles qu'on peut envisager en pratique, on peut donner les exemples suivants: - transmission des variations de température du piston d'un moteur thermique sans autre source d'alimentation en énergie que les gradients de température présents dans le piston; la pile selon l'invention utilise les différentes températures à la fois comme source d'énergie pour la transmission et comme source d'information utile (il est utile de connaître les températures dans le moteur) ; on peut par exemple placer 10 ensembles de 10 thermocouples avec leurs points chauds répartis sur le haut du piston (températures de l'ordre de 100 C à 300 C) et leurs points froids placés à la base du piston où les températures sont plutôt de l'ordre de 80 C; la tension o obtenue peut osciller entre 0,1 et 1,1 volt au cours du mouvement; - détection de skieurs enfouis sous une avalanche: les thermocouples en série sont intégrés dans un vêtement ou dans des chaussures; la différence de température entre le corps humain et la neige extérieure produit une énergie utilisable grâce au perfectionnement selon l'invention; à ce sujet, il faut remarquer que les thermocouples en série peuvent être réalisés par une technique de tissage de fils métalliques de deux sortes, et soudure des points de croisement. Cette technique permet de mettre en série de très nombreux thermocouples. - charge d'accumulateurs de téléphones portables à partir de 20 sources à gradient de température élevé. Ces applications sont données à titre d'exemples importants mais non limitatifs. REVENDICATIONS 1. Pile thermoélectrique fondée sur l'effet Seebeck, qui comporte un ensemble (TH) en série ou série-parallèle de plusieurs thermocouples, caractérisé en ce que l'ensemble de thermocouples alimente un circuit oscillant fournissant une tension alternative d'oscillation d'amplitude supérieure à la tension d'alimentation, l'oscillateur utilisant un transistor (T) fonctionnant sous une tension d'alimentation de quelques dizaines de millivolts entre émetteur et collecteur. 2. Pile thermoélectrique selon la revendication 1, caractérisée en 1 o ce que le transistor est un transistor en germanium. 3. Pile thermoélectrique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'oscillateur comporte des circuits à inductance et capacités, la tension d'alimentation étant appliquée sur une prise intermédiaire de l'enroulement primaire (Lc, Lo) d'un transformateur, l'enroulement primaire étant connecté en parallèle avec une capacité (Cs) et étant relié au collecteur du transistor, et fournissant une tension de sortie (Vs), un enroulement secondaire (Lb) étant relié à la base du transistor. 4. Pile thermoélectrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'oscillateur est suivi d'un redresseur à diodes pour fournir une tension continue. 5. Application de la pile selon l'une des revendications 1 à 4 à la transmission d'informations sur les températures d'un moteur en utilisant comme source d'énergie les gradients thermiques présents dans le moteur. 6. Application de la pile selon l'une des revendications 1 à 4 à la transmission d'un signal de détresse pour des personnes enfouies, les 30 thermocouples étant disposés dans les vêtements pour utiliser un gradient de température entre la température du corps et l'environnement extérieur dans lequel les personnes sont enfouies.