Brevet FR3023415A1 — publié le 20160108

GENERATEUR THERMOELECTRIQUE A PERTES REDUITES DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un générateur thermoélectrique présentant des pertes réduites pour l'alimentation de dispositifs électriques ou électroniques. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION On connaît de l'état de la technique des générateurs thermoélectriques comprenant un ensemble de thermocouples, 15 chaque thermocouple étant formé de deux fils électriquement conducteurs de natures différentes et reliés à une de leurs extrémités pour former une jonction appelée « jonction chaude » du thermocouple. Les autres extrémités des deux fils de chaque thermocouple, laissées libres, sont appelées 20 « extrémité froide ». Comme cela est bien connu, l'application d'un gradient de température sur le thermocouple par application d'une température plus élevée au niveau de la jonction chaude qu'au niveau de l'extrémité froide, fait naitre une différence de potentiel entre les extrémités libres 25 des deux fils formant le thermocouple (effet Seebeck). Ces générateurs thermoélectriques sont généralement adaptés pour alimenter des dispositifs électriques ou électroniques, généralement dénommés « charge », qui 30 présentent une résistance de charge en entrée, notée Rc, comprise entre quelques dixièmes d'ohm à quelques dizaines d'ohm. La différence de potentiel e générée par effet Seebeck par 35 un unique thermocouple est relativement faible (de l'ordre du millivolt), et il est donc d'usage, dans un générateur thermoélectrique, d'assembler électriquement en série un grand nombre de thermocouples (plusieurs centaines au moins). Cette 10 configuration est représentée en figure la. Une telle configuration où K thermocouples sont assemblés en série est représenté par un générateur équivalent de force électromotrice K*e (où e représente la force électromotrice de chacun des thermocouples) et de résistance interne K*r (où r représente la résistance de chacun des thermocouples). Le schéma équivalent est représenté en figure lb. Le rendement de ce type de générateur thermoélectrique est typiquement de l'ordre de 5%. Du fait de la résistance élevée des K thermocouples électriquement assemblés en série, les pertes par effet Joules sont importantes. Pour mémoire, ces pertes correspondent au produit de la résistance interne du générateur équivalent par le carré du courant circulant dans cette résistance. A partir du schéma équivalent de la figure lb, est en formant l'hypothèse que la résistance K*r des thermocouples est bien supérieure à la résistance Rc de la charge associé au circuit, le courant Is circulant dans le circuit peut être bien approximé par la valeur e/r et les pertes par effet Joule Ps de l'ensemble des thermocouples sont évaluées à : Ps = K*r*Is^2 = (K/r)*e^2 Où l'on remarque que ces pertes sont proportionnelles au nombre K de thermocouples. De plus, les dispositifs thermoélectriques sont également affectés par des pertes par conduction thermique, correspondant au transfert de chaleur de la zone chaude vers la zone froide, notamment à travers les fils constitutifs des thermocouples. OBJET DE L'INVENTION L'invention a notamment pour but de fournir une solution simple à ces problèmes de pertes. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, l'objet de l'invention propose un générateur thermoélectrique pour l'alimentation 5 d'un dispositif électrique ou électronique, comprenant une pluralité de thermocouples disposés entre une zone chaude et une zone froide du générateur thermoélectrique et configurés en M unités électriquement reliées en parallèle, chaque unité étant formée de N thermocouples reliés en série, le générateur 10 fournissant une tension de sortie et les unités fournissant une tension d'unité lorsque la pluralité de thermocouples est soumis à un gradient de température appliqué entre la zone chaude et la zone froide, le générateur thermoélectrique étant remarquable en ce que N/M Les valeurs de r et Rc étant tout au plus du même ordre, la résistance interne du circuit équivalent de valeur N*r/M est donc au moins d'un ordre de grandeur inférieure à la résistance Rc de la charge. Le courant Ip circulant dans le circuit équivalent de la figure 2b est en conséquence bien approximé par la valeur N*e/Rc ; et les pertes par effet Joule Pp dans l'ensemble des thermocouples formant le générateur thermoélectrique de l'invention sont données par l'expression : Pp = (N*r/M)*Ip^2 = (N*r/M) * (N*e/Rc)^2 On propose de comparer les pertes par effets Joules des thermocouples du générateur thermoélectrique GT selon l'invention aux pertes par effet Joules des thermocouples du générateur thermoélectrique de l'état de la technique. En posant K = N*M afin de prendre un nombre équivalent de thermocouples dans chacun des deux générateurs, on note que : Pp = (N^3*r*e^2)/(M*Rc^2) = (N*r/M)^2*(1/Rc)^2 * Ps N*r/M étant comme on l'a vu bien inférieur à Rc, le facteur (N*r/M)^2*(1/Rc)^2 est donc bien inférieur à 1, et au final, Pp « Ps. On note également que l'amélioration relative des pertes par effet Joule est proportionnelle au coefficient (N/M)^2. Ainsi, dans l'ensemble des thermocouples électriquement configurés selon l'invention, les pertes par effet Joule sont de plusieurs ordres de grandeur inférieurs aux pertes par effets Joules des thermocouples configurés selon l'état de la technique. De manière préférée, on choisira le rapport N/M inférieur à 10^-2. Dans cette configuration électrique massivement parallèle, les pertes par effet Joule Pp sont grandement réduites par rapport à aux pertes par effet Joule Ps d'une configuration en série. Dans une configuration particulièrement avantageuse de l'invention, on choisi N = 1. En d'autres termes, les thermocouples formant le générateur thermoélectrique TG sont tous électriquement connectés en parallèle. On remarque de l'équation précédente de Pp que dans ce cas les pertes par effet Joules sont particulièrement réduites. Dans une autre configuration particulièrement avantageuse de l'invention, on choisit M > 100. Similairement au cas précédent, dans cette configuration également, les pertes par effet Joules Pp sont grandement réduites. La réduction des pertes par effets Joule dans les thermocouples constituant le générateur thermoélectrique GT améliore notablement son rendement. Bien entendu, les deux configurations avantageuses 25 précédentes peuvent être combinées entre elles (N = 1 et M >100), réduisant d'autant plus les pertes par effets Joule dans les thermocouples du générateur thermoélectrique TG. Dans un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, les 30 fils formant les thermocouples sont dimensionnés pour limiter les pertes par conduction thermique. Par exemple, il peut s'agir de fils d'environ 30mm de longueur à 1 mm de longueur et de 0,5mm de diamètre à 0,05mm de diamètre. Pour réduire la conduction thermique sans détériorer la résistance électrique 35 des thermocouples il est préférable de réduire à la fois le diamètre et la longueur des thermocouples. En référence à la figure 3, on décrit maintenant les autres éléments complétant avantageusement le générateur thermoélectrique TG de l'invention. Le générateur thermoélectrique présente une zone chaude ZC et une zone froide ZF. Les thermocouples sont positionnés dans le générateur thermoélectrique GT de sorte que leurs jonctions chaudes soient placées au niveau de la zone chaude, et leurs extrémités froides au niveau de la zone froide ZF. Ces extrémités froides sont connectées entre elles pour former M unités électriquement connectées en parallèle, comprenant chacune N thermocouples électriquement connectés en série. Cela peut être réalisé en munissant une plaque support formé d'un matériau électriquement isolant, de pistes conductrices sur lesquels sont fixées, par exemple par soudure, les extrémités froides des thermocouples. La configuration des pistes conductrices assure la mise en connexion électrique parallèle et série des thermocouples, et permet d'extraire en ses bornes 1, 2 la tension Vu de l'ensemble. Afin de pouvoir appliquer un gradient de température entre la zone chaude ZC et la zone froide ZF, permettant aux thermocouples de fournir chacun une tension Seebeck e, le générateur thermoélectrique GT est muni de moyens de chauffage du côté de la zone chaude ZC et/ou de moyens de refroidissement du côté de la zone froide Zf. Que l'un et/ou l'autre de ces moyens soient prévus, ils sont adaptés pour appliquer et maintenir un gradient de température compris entre 30°C et 100°C. Dans cette gamme de température, la conductivité thermique des matériaux (usuellement des métaux) formant les thermocouples est limitée, ce qui contribue à la réduction des pertes par conduction. Ces pertes par conduction sont également limitées en plaçant entre la zone chaude Zc et la zone froide Zf un matériau isolant thermique. Et de manière préférée, ce matériau est également un isolant électrique. Dans un premier mode de réalisation, cet isolant est de la mousse de polyuréthane (également dénommé polyuréthane expansé) dont la conductivité thermique à l'ambiant est de l'ordre de 0,025 W.m-1.K-1. Ce matériau peut être dispensé sous forme liquide entre la zone chaude ZC et la zone froide ZF pour se transformer en mousse enserrant les thermocouples. On veillera de laisser émerger de cette mousse les jonctions chaudes et les extrémités froides des thermocouples afin de préserver le contact thermique qu'elles entretiennent avec les moyens de chauffage et/ou de refroidissement. On notera également que la mousse de polyuréthane est un bon isolant électrique (>10^15 Ohms) et donc que son utilisation dans le générateur thermoélectrique GT évite la mise en contact électrique des thermocouples entre eux. Dans un second mode de réalisation de l'invention, particulièrement adapté à des dimensions réduites de thermocouples (présentant par exemple un diamètre compris entre 0,2 mm et 0,05 mm et une longueur comprise entre 4,5 mm et 0,3mm), l'isolant est choisi en résine époxy. Cette résine présente une conductivité thermique à l'ambiant de 0,2 W.m1.K-1 et est également un très bon isolant électrique. Le gradient de température établi entre la zone chaude ZC et la zone froide ZF est relativement modeste (compris entre 30 et 100°C comme cela a été énoncé plus avant). Ceci présente l'avantage de pouvoir opérer le générateur thermoélectrique GT dans un environnement de relativement basse température, par exemple compris entre -20°C et 130°C. Dans cette gamme de température, on dispose de matériau thermiquement et électriquement isolant particulièrement efficace et facile à mettre en oeuvre (polyuréthane, résine époxy). Par ailleurs, dans cette gamme de température, la transmission de chaleur par rayonnement est négligeable. En conséquence, le rendement du générateur thermoélectrique GT peut être particulièrement amélioré. Quel que soit le mode de réalisation choisi, le générateur thermoélectrique GT peut être muni à la fois de moyens de chauffage et de moyens de refroidissement et ces moyens comprennent respectivement la circulation d'un fluide chauffé directement en contact avec les jonctions chaudes des thermocouples, et d'un fluide refroidi directement en contact avec les extrémités froides des thermocouples. On obtient de cette manière un très bon échange thermique, favorisant l'application du gradient de température. Lorsque ce mode de réalisation est combiné à celui dans lequel on a placé un matériau isolant thermiquement entre la zone chaude ZC et la zone froide ZF, on prendra soin de choisir un matériau étanche au fluide chauffé et au fluide refroidi. C'est le cas par exemple lorsque le matériau isolant est de la mousse de polyuréthane ou de la résine époxy. La figure 4 représente un exemple particulier de mise en oeuvre d'une telle configuration. Les thermocouples (TC) sont disposés au sein d'une pluralité de plaquettes E rigides, en résine époxy. Chaque plaquette peut être réalisée en coulant ou en injectant la résine époxy dans une matrice dans laquelle des thermocouples ont été préalablement disposés. La coulée ou l'injection est conduite de sorte que, après durcissement, les jonctions chaudes des thermocouples émergent ou affleurent à la surface de la plaquette; et de sorte que les jonctions froides émergent à la surface opposée de cette plaquette. Chaque plaquette peut présenter une épaisseur de l'ordre de quelques millimètres, par exemple 3 millimètres. Les surfaces des plaquettes E d'où émergent les jonctions froides peuvent être munies d'un conducteur électrique C, par exemple en cuivre, sous la forme de fils ou de pistes, permettant le raccordement électrique des jonctions froides dans la configuration série/parallèle choisie. Les plaquettes E sont électriquement reliées entre elles et aux bornes 1, 2 de l'ensemble, comme cela est représenté schématiquement sur la figure 3, par exemple par des fils de cuivre présentant une faible résistivité électrique. Les plaquettes E sont empilées, l'une sur l'autre, dans un boitier b étanche et isolé thermiquement de son environnement. L'empilement est réalisé en prenant soin de mettre en vis-à-vis des jonctions de même nature, c'est-à-dire que les jonctions chaudes d'une première plaquette de l'empilement sont mises en vis-à-vis des jonctions chaudes de la plaquette E suivante de l'empilement. Similairement, les jonctions froides d'une plaquette de l'empilement sont placées en vis-à-vis des jonctions froides de la plaquette suivante de l'empilement. On fait également en sorte de préserver un espacement, de l'ordre de grandeur de l'épaisseur d'une plaquette, entre deux plaquettes. Cela peut être réalisé, par exemple, en plaçant des cales de hauteurs déterminées entre chaque plaquette E de l'empilement. Il est alors possible, comme cela est représenté sur la figure 3, de faire circuler un fluide refroidi dans les espaces dégagés A entre deux plaquettes E donnant accès aux jonctions froides des thermocouples TC et mettre en contact direct le fluide refroidi avec ces jonctions. Similairement, il est simultanément possible de faire circuler un fluide réchauffé dans les espaces dégagés B entre deux plaquettes et donnant accès aux jonctions chaudes des thermocouples TC et mettre en contact direct ce fluide réchauffé avec ces jonctions. Des conduits (non représentés sur la figure) permettent d'introduire, de faire circuler dans le boitier et d'évacuer les fluides refroidi et réchauffé. Cet arrangement est particulièrement avantageux en ce qu'il permet d'intégrer un nombre important de thermocouples TC dans un boitier compact b. Elle met en oeuvre des thermocouples TC de dimensions réduites, de l'ordre de quelques millimètres de longueur, et de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre de section. Ces dimensions contribuent à réduire la conductivité thermique des thermocouples TC, sans exagérément accroître la résistivité électrique. Quel que soit le mode choisi de mise en oeuvre de l'invention, le fluide chauffé et le fluide refroidi peuvent être fournis par un système de pompe à chaleur PC. De manière bien connue en soi, ce système permet d'extraire les calories de l'environnement du générateur thermoélectrique GT et du fluide froid, pour le refroidir, et les fournir au fluide chaud, pour le réchauffer. Le système PC permet donc de récupérer la chaleur diffusant de la zone chaude ZC vers la zone froide ZF essentiellement par conduction thermique dans les thermocouples ou générée par effet Joule dans le générateur thermoélectrique, et donc de créer et de maintenir le gradient de température appliqué aux thermocouples. La figure 5 représente un exemple particulier de réalisation d'un générateur thermoélectrique GT muni d'un tel système de pompe à chaleur PC. Les fluides chauffé et refroidi circulent aux niveaux des zones chaudes ZC et froides ZF du générateur GT. Ils circulent également, à travers des conduits C, isolés thermiquement, vers des échangeurs thermiques ET1 et ET2 du système de pompe à chaleur PC. Le premier échangeur ET1 permet le transfert des calories présent dans le liquide refroidi (et collectées dans le générateur GT) et des calories de l'environnement ENV vers un circuit vapeur CV du système de pompe à chaleur PC. Le second échangeur thermique ET2 permet le transfert des calories du circuit vapeur CV vers le fluide réchauffé. Le circuit vapeur CV assure le transfert des calories de l'échangeur thermique ET1 vers l'échangeur thermique ET2, et comprend en succession un compresseur COMP, un condenseur COND, un évaporateur EVP et détendeur DET ainsi que cela est représenté sur la figure 5. De façon générale dans la gamme de température de gradient visé de (30°C à 100°C), en moyenne 60°C, le système de pompe à chaleur PC présente un coefficient de performance de l'ordre de 4 pour une température ambiante de l'environnement de 7°C, Ce coefficient de performance s'améliore considérablement dès lors que la température ambiante de l'environnement est plus élevée. Le système de pompe à chaleur PC contribue à améliorer la performance globale du générateur thermoélectrique GT. L'énergie générée par ce générateur GT peut être emmagasinée dans un dispositif de stockage, comme une batterie. Une partie de cette énergie peut contribuer au fonctionnement de la pompe à chaleur PC, notamment lorsque la température de l'environnement est relativement basse. En fonctionnement, c'est à dire lorsque le gradient de température est appliqué aux thermocouples, le générateur thermoélectrique GT de l'invention génère une tension Vu aux bornes 1, 2 des unités connectées électriquement en parallèle. Cette tension peut être dans certains cas insuffisante pour alimenter un circuit électrique ou électronique. La valeur de la tension Vu dépend notamment du nombre N de thermocouples connectés électriquement en série dans chaque unité, et de la valeur du gradient de température appliqué. L'invention prévoit de munir, comme représenté sur la figure 3, le générateur thermoélectrique d'un circuit S de type sommateur des tensions d'unité Vu pour élaborer la tension de sortie Vs du générateur. Un tel circuit de type sommateur peut être réalisé à l'aide d'un ou plusieurs amplificateurs opérationnels, comme cela est bien connu en soi. Ainsi dans le cas de 10000 thermocouples tous montés en parallèle (M = 10000, N = 1), on peut établir une tension de sortie Vs de l'ordre de 30V, pour un gradient de température de l'ordre de 60°C et une force électromotrice de chaque thermocouple de 3 millivolts. La résistance interne de ce générateur est préférablement faible, de l'ordre de 3*10^-5 ohm, afin de limiter les pertes par effet Joule. Toutefois l'ensemble des circuits sommateurs ont une résistance de quelques dizaines à quelques centaines d'ohms, et sont donc également soumis à des pertes par effet joules. En conséquences ces circuits sommateurs peuvent être disposés dans un ou des boitiers munis d'échangeur thermique afin que ces calories puisses directement être récupérées par le système de pompes à chaleur PC. Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de mise en oeuvre décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications. Bien que l'on ait indiqué dans la description que chaque unité comportait un nombre N identique de thermocouples connectés en série dans chaque unité, l'invention s'applique tout aussi bien dans une configuration différente. Le nombre N pourra être dans ce cas remplacé par le nombre moyen de thermocouples dans les unités. De même, l'invention n'est pas limitée à un ensemble de thermocouples présentant tous des caractéristiques identiques, 30 notamment en termes de force électromotrice et de résistance interne. REVENDICATIONS1. Générateur thermoélectrique (GT) pour l'alimentation d'un dispositif électrique ou électronique comprenant une pluralité de thermocouples (TC) disposés entre une zone chaude (ZC) et une zone froide (ZF) du générateur thermoélectrique (GT) et configurés en M unités (U) électriquement reliées en parallèle, chaque unité étant formée de N thermocouples reliés en série, le générateur fournissant une tension de sortie (v) et les unités fournissant une tension d'unité (vu) lorsque la pluralité de thermocouples (TC) est soumis à un gradient de température appliqué entre la zone chaude et la zone froide, le générateur thermoélectrique étant caractérisé en ce que N/M 2. Générateur thermoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit sommateur (S) de tensions d'unité (vu) pour établir la tension de sortie (v). 3. Générateur thermoélectrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit sommateur (S) des tensions d'unité (vu) comprend au moins un amplificateur opérationnel. 4. Générateur thermoélectrique selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que N/M 5. Générateur thermoélectrique selon l'une des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce que N = 1. 6. Générateur thermoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que M > 100. 35 7. Générateur thermoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur thermoélectrique (GT) est muni de moyens de chauffage au niveau de la zone chaude et/ou de moyens de refroidissement 25au niveau de la zone froide, pour appliquer le gradient de température. 8. Générateur thermoélectrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de chauffage et/ou de refroidissement sont adaptés pour maintenir le gradient de température entre 30°C et 100°C. 9. Générateur thermoélectrique selon les revendications 7 et 8 précédentes, caractérisé en ce que le générateur thermoélectrique (GT) est muni de moyens de chauffage et de moyens de refroidissement ; les moyens de chauffage et les moyens de refroidissement comprenant respectivement la circulation d'un fluide chauffé au niveau de la zone chaude (ZC) et d'un fluide refroidi au niveau de la zone froide (ZF). 10. Générateur thermoélectrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que une première extrémité des thermocouples (TC) est directement en contact avec le fluide chauffé, et la seconde extrémité des thermocouples (TC) est directement en contact avec le liquide refroidi. 11. Générateur thermoélectrique selon les revendications 9 à 10, caractérisé en ce que les moyens de chauffage et les moyens de refroidissement comprennent un système de pompe à chaleur (PC) pour chauffer le fluide chauffé et respectivement refroidir le fluide refroidi. 12. Générateur thermoélectrique selon la revendication 11, caractérisé en ce que le système de pompe à chaleur (PC) comprend un circuit vapeur (CV) qui assure le transfert des calories d'un échangeur thermique (ET1) dans lequel circule le fluide refroidi vers un échangeur thermique (ET2) dans lequel circule le fluide réchauffé. 13. Générateur thermoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un matériaux thermiquement isolant entre la zone chaude (ZC) et la zone froide (ZF), et enserrant la pluralité de thermocouples. 14. Générateur thermoélectrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le matériau thermiquement isolant est une mousse de polyuréthanne. 15. Générateur thermoélectrique selon la revendication 13, caractérisé en ce que le matériau thermiquement isolant est de la résine époxy.