G. Fraisse 1, J. Ramousse 1, L. Luo 1

M. Cosnier 1, D. Sgorlon 1, YW. Kim 1, B. David 1

A. Agbossou 1 , Q. Zhang 1

C. Goupil 2, M. Lazard 3

Réunion du GDR Thermoélectricité, 6-7 juillet 2010, Grenoble

Les performances énergétiques des systèmes thermoélectriques,

de l'échelle élémentaire au bâtiment

1 : LOCIE 2 : CRISMAT 3 : InSIC

Sommaire

Les différentes échelles1111

2222

3333

4444

Modélisation des effets thermoélectriques

Du module au système thermoélectrique

Intégration des systèmes TE au bâtiment

5555 Conclusion

Multi-Échelles

10-6 m²

10-3 m²

1 m²

102 m²

Modélisation TE

AnalogieEléments finis

Simplifiée Analytique

Cn-1 CnCn+1

TnTn-1Tn+1

Rn-1 Rn Rn+1

ΦnΦn-1 Φn+1

2

2RITKITQ HH +∆−= α ( )

( ) xb

c

bL

bxL

b

cTLTTxT +

−−−−

−−+=1exp

1exp)0()()0()(élément

composant

système

bâtiment

Les différentes échelles

TKIRTIQ CC ∆⋅−⋅⋅−⋅⋅= 2

2

1α

TKIRTIQ HH ∆⋅−⋅⋅+⋅⋅= 2

2

1α

0

L

Tc

Th

Qc

Qh

Ne-

τλρα ,,,2

ThTcT

+=pour

Quelle performance ?

RT2005 - 2012

COP > 2.58

Modélisation des effets thermoélectriques

� Approche simplifiée

TIIRTKTIQ CC ∆⋅⋅⋅+⋅⋅−∆⋅−⋅⋅= τα21

21 2

TIIRTKTIQ HH ∆⋅⋅⋅−⋅⋅+∆⋅−⋅⋅= τα21

21 2

0

L

Tc

Th

Qc

Qh

Ne-

τλρα ,,,

2

ThTcT

+=

Amélioration des modèles simplifiés

Contribution de l’effet Thomson

Amélioration n°1 :

TIIRTKTIQ CCC ∆⋅⋅⋅+⋅⋅−∆⋅−⋅⋅= τα2

1

2

1 2

TIIRTKTIQ HHH ∆⋅⋅⋅−⋅⋅+∆⋅−⋅⋅= τα2

1

2

1 2

Effet en surface et « volumique »Amélioration n°2 :

2

ThTcT

+=HC αα ,

( )( ) x

b

c

Lb

xbL

b

cTLTTxT +

−⋅−−⋅−⋅

−−+=1exp

1exp)0()()0()(

L

TLTAkQF

)0()( −⋅⋅=

−−

−

⋅

⋅⋅+−+⋅⋅−⋅⋅=

L

x

Q

Q

L

x

Q

Q

Q

QIkQ

IkxTIxQ

F

T

F

T

F

TeF

e

exp1exp

)()(τρ

τρα

k

jb

τ−=k

jc e

2ρ−=

( ))0()( TLTIQT −⋅⋅=τ

Paramètres constants + régime permanent

0

L

Tc

Th

Qc

Qh

Ne-

T(x) Q(x)

���� A. Chakraborty, K.C. Ng. Thermodynamic formulation of temperature–entropy diagram for the transient operation of a pulsed thermoelectric cooler. International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 49, Issues 11-12, June 2006, Pages 1845-1850.

� Solution analytique

���� G. Fraisse, C. Goupil, M. Lazard, J.Y. Serrat. International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 53, Issues 17-18, August 2010, Pages 3503-3512

dx

txdTI

A

I

dx

txTdAk

dt

txdTACp e ),(),(),( 2

2

2

⋅⋅−⋅+⋅⋅=⋅⋅⋅ τρρ

0

L

x

Tc

Th

n-1

Tn+1

Rn_n+1nn+1

Tn

∆x

Rn-1_n

Tn-1

Φn

Φn+1

Φn-1

Cn

Qcold

Qhot

[W/m]

Cn-1

Cn+1

� Nouveau modèle : analogie électrique

Régime variable

Section variable

λ, τ, ρe = F(T)

2

)1()1(R)( 2

e−−+⋅⋅−⋅=Φ nTnT

IIn τ

x

nTnTAknTInQ

∆−−+⋅⋅−⋅⋅=

.2)1()1(

)()( α

Logiciel ANSYS-CFX

matériauxgéométrie

maillagehypothèses

résolutionpost

optimisation

CFD

� Éléments finis

3D

Calculs longs

Thermoélectrique

0.000E+00

5.000E-05

1.000E-04

1.500E-04

2.000E-04

2.500E-04

3.000E-04

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

résistivité élec.

Seebeck

conductivité therm.

Analogie 100 nœuds (couches)

CFX : 19130 élémentsParamètres : f(T)

Bi 2Te3 ∆T=300K - 270K L=1.4 10-3 m A =1.4 10-6 m² (constant)

� Comparaison des modèles

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 2 4 6 8 10 12

analogie

CFXCOP (froid)

I (A)

Résultats très proches λ, τ, ρe … fonction de T

Discrétisation « fine »

CH

C

QQ

QCOP

&&

&

−=

Comparaison analogie / CFX (EF)

Modèle analogique : performance / tcalcul

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

analogieCFXanalogie_sansThomson

- 17 %COP (froid)

I (A)

L’effet Thomson améliore sensiblement le COP

Contribution de l’effet Thomson

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 2 4 6 8 10 12270

280

290

300

310

320

330

340

350

360

370

analogiesimplifié(constant)CFXsimplifié_hybride (constant)Tmoy_analogie

285 K

N

T

T

N

jj∑

== 1

si l’effet joule est limité

2

ThTcT

+=

2

ThTcT

+≈

COP

I (A)

(Amélioration n°2)

(Avec Thomson)

Limites de la modélisation simplifiée

6.2 cm

6.2

cm

100 W

26 kW/m²

Du module au système thermoélectrique

� Un problème thermique complexe

I

Tc

Th

Qc

Qh

TSF

TSC

TSC TSFThTc

RHX

Rcontact

Rcontact

Rcontact

Rcontact

RHX

x

Rcéramique

Rcéramique

Qc

Qh

Qc

Qh

� Ennemi n°1 : les résistances thermiques

Contact + céramique + HX Augmente Th-Tc

Diminue le COP

AilettesJet impactant Micro-canaux

Augmenter h Augmenter S

R

TTSh

∆=∆⋅⋅⋅=Φ η

Approche constructale

� Quelques pistes (LOCIE)

… et grande échelle Aéronautique / Bâtiment

Petite échelle Module Peltier

Un mode de conception basique : « démarche Négawatt »

Trois étapes 1. Réduire les besoins

2. Efficacité des systèmes

3. Energies renouvelables

Intégration des systèmes TE au bâtiment

La meilleure efficacité globale ?

Intégration énergétique

Energie Environnement

Socio-économie

=Optimisation dynamique multi-critère

���� G. Fraisse. Contribution à l’intégration énergétique des systèmes associés au Bâtiment. Habilitation à Diriger des Recherches de l’Université de Savoie, 5 décembre 2008, 137 p.

Thermoélectricité : COPmax ∆Tmin Double flux TE

BBC

Habitation : sur-ventilation limitée la nuit

- Double flux thermoélectrique avec recyclage

- Sur-ventilation nocturne

Efficacité

� Exemple d’un double système de refroidissement

Etude numérique

(paramètres optimisés : �����)

( )( )

( )( )

( )( )2

2

2

2

2

2

6.02.12.1refrefref N

N

E

E

IDH

IDHPerf ++=

Dimensionnement Contrôle-CommandeHook-Jeeves

18

21

24

27

30

33

36

22 23 24 25 26

Text ref (°C)

T s

éjou

r (°C

)

base T90u T90d

18

21

24

27

30

33

36

22 23 24 25 26

Text ref (°C)

T s

éjou

r (°C

)

solution optimisée T90+ T90-

- refroidissement diurne thermoélectrique (1.4 vol/h) et sur-ventilation nocturne (1.8 vol/h )

- COP des modules thermoélectriques sur la période est de 2.5 en mode refroidissement

- importance de l’approche globale d’optimisation

���� Matthieu Cosnier : « Conception et optimisation d’un système de production de chaud et de froid avec des modules thermoélectriques intégrés au système de ventilation d’un bâtiment ». Thèse de doctorat, septembre 2008 (co-directeurs : G. Fraisse et L. Luo)

Graisse thermique + Planéité de échangeur

• Epaisseurs variables entre modules (∆e =0,2 mm)

• Mauvaise planéité des faces des modules (+0,16 mm; -0,08 mm)

Etude expérimentale

Améliorer la qualité des modules

COPfroid = 0.5 / 1.3

Intégration énergétique = efficacité globale

analogie électrique

Approche multi-physique : condensation, CFD

Rôle de l’effet Thomson

Limites des modèles à coefficients constants

Résistances thermiques , contrôle-commande

Applications TEC à faible ∆T (COP)

Conclusions

SYSPACTE : Panneau ACtif ThermoElectrique pour le Bâtiment FUI-6 (ACOME, CRISMAT, ICG, CSTB, ANJOS)

2 PAC thermoélectrique : chauffage des bâtimentsPartenariat EDF + ACOME (2 thèses + financement)

INPACT : INtensification des transferts dans les Pompes A ChaleurPE-CNRS (CRISMAT)

OTOGEHT : Optimisation Technologique d’Oxydes pour la Génération Electrique Haute Température

PR-CNRS (CRISMAT, ICMCB)Thèse co-tutelle USTC-Chine : Micro-Génération électrique

TE

C-T

EH

TE

G� Projets en cours

Gaz : 200-300°C (sans condensation)

Flamme : 1200°C

Gaz : 45-70 °C 250 à 400°C 250 à 1000°C

UPR CNRS 8521

Merci de votre attention

Effet Seebeck(1821)

apparition d.d.p. dans le circuit

Effet Peltier (1834)

2 métaux différents

2 jonctions à T° différentes

Dégagement ou absorption de chaleur lors du passage d’un courantà la jonction entre 2 métaux ou semi-conducteurs différents

Effet Thomson (1854)

Dégagement ou absorption de chaleur lors du passage d’un courantdans un conducteuren présence d’un gradient de température

TIQ ∆⋅⋅= τ

( ) TTdV ∆⋅=∆⋅−=− ααα 2121

( ) TITIQ ⋅⋅±=⋅⋅−±= ααα 21

thermocouple

TEH-TEC : production chaud/froid

Rôle favorable en TEC

TEG : production électriqueα : coefficient Seebeck (V.K-1)

π : coefficient Peltier (V)

τ : coefficient Thomson (V K-1)

T

Π=αTdT

d

dT

d Π−Π=−Π= ατ

� Effet Seebeck

� Effet Peltier

� Effet Thomson