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Projet BA2 : Barbecue
thermoélectrique

Rapport
Final
Florence Decerf
Louise Hanne
Aurélien Janssen
Pedro Wunsch

Ovidio Gherman
Inès Henriette
Noah Polizzotto

Tutrice : Gaëlle Couturiaux
2016-2017

Table des matières
1

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

2

Thermoélectricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.1

Effet Seebeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.2

Couple thermoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.3

Facteur de mérite ZT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.4

Fonctionnement d’un module thermoélectrique. . . . . . . . . . . . .

11

3

Aspects environnementaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

4

Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

5

Choix des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

5.1

Structure principale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

5.2

Barre conductrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

5.3

Isolants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

5.4

Pince de Mohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

5.5

Barbecue final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

6

Fonctionnement de groupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

7

Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

8

Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

Annexe A : Effets Peltier et Thomson

33

Annexe B : Composition du module thermoélectrique

35

1

Annexe C : Budget

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41

2

Projet BA2

Abstract
This report retraces the ULB engineering students’ chemistry project. It consists in conceptualizing and building a barbecue that is supplied with oxygen in order to maintain its fire
and reduce the production of carbon monoxide. The thermoelectric properties of materials
have been used here as a source of energy that provides power to a fan whose aim is to
constantly bring air to the embers. The thermoelectric effect is a way to turn heat into
an electric current and the project’s first part is about understanding the theory behind
it and wich materials optimize it. Then, the conceptualization of the barbecue starts with
the arrangement of the components and the search of materials in order to have the best
performance with a touch of originality. Once it is build, tests are carried out to verify that
the system works and a comparison is made between theory and practice.

Ce rapport retrace le projet de chimie des étudiants ingénieurs civils de l’ULB. Il consiste
en la conceptualisation et la construction d’un barbecue qui est fourni en oxygène afin de
maintenir le feu et de réduire la production de monoxyde de carbone. Dans ce cas-ci, les
propriétés thermoélectriques des matériaux ont été utilisées comme source d’énergie pour
alimenter un ventilateur qui a pour but d’apporter constamment de l’air aux braises. L’effet
thermoélectrique est un moyen de transformer de la chaleur en électricité et la première partie
du projet consiste en la compréhension de cet effet ainsi que les matériaux qui l’optimisent.
Ensuite, la conceptualisation du barbecue commence par l’arrangement des composants et
la recherche des matériaux de fabrication afin d’avoir le meilleur rendement avec un brin
d’originalité. Une fois construit, des tests sont effectués afin de vérifier que le système fonctionne et de comparer la théorie et la pratique.

Nombre de mots dans le texte : 8088

1

Introduction
Dans le cadre du projet choisi en BA2 à l’École polytechnique de Bruxelles, notre groupe

est amené à concevoir un barbecue thermoélectrique. Ce projet consiste en la mise en place
d’un système de ventilation qui permettra de maintenir le foyer de braise actif tout au long
de la cuisson et ce, en utilisant les propriétés de la thermoélectricité. En effet, il s’agira de
recycler la chaleur dissipée par le barbecue pour la convertir en électricité, ce qui permettra
alors d’actionner un ventilateur.

La thermoélectricité, en guise d’introduction, est un processus physico-chimique qui permet de convertir un apport d’énergie calorifique en énergie électrique ou inversement grâce
aux propriétés de certains matériaux. Si, initialement, il s’agissait d’applications pour le domaine spatial, cette technologie s’applique de nos jours à des domaines plus variés et plus
courants. En effet, les matériaux autrefois utilisés acceptaient des températures bien trop
élevées et étaient bien trop perfectionnés pour une application "quotidienne", ce qui engendrait un coût impossible à rentabiliser. Maintenant, au moyen des récentes découvertes, les
matériaux ont pu être optimisés dans le cadre de leurs nouvelles affectations, c’est-à-dire être
moins coûteux et plus efficaces dans des gammes de températures plus basses.

Ce rapport a pour objet d’étudier la thermoélectricité dans un cadre général et théorique
avant la mise en pratique de ses concepts. Premièrement, la physique de la thermoélectricité
sera décrite de façon générale, puis de façon plus spécifique au travers d’un des effets thermoélectriques : l’effet Seebeck. Deuxièmement, dans la recherche d’optimisation du rendement
du module thermoélectrique, un chapitre est consacré à l’indice de performance ZT de ces
dispositifs. Il décrit non seulement les grandeurs qui interviennent dans son expression mais
également les différents moyens d’améliorer ce facteur . Ensuite, une description approfondie
du fonctionnement et de la composition de ce module sera réalisée, afin de comprendre comment la thermoélectricité se concrétise au travers de la structure du module. Par après, étant

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donné les perspectives d’avenir dans le monde des énergies et les conditions climatiques et
environnementales actuelles, il est intéressant de s’interroger sur l’impact écologique de cette
forme de production d’énergie. Ce sujet, qui interroge sur les possibilités futures qu’offre le
développement de la thermoélectricité,constitue l’avant-dernier chapitre de ce rapport.

La seconde partie du rapport traite de la conception du prototype imaginé par le groupe.
Tout d’abord, une description complète ainsi qu’une explication des différentes parties et
fonctions de la structure du modèle sera effectué afin de donner une vue d’ensemble du
projet. Par après, une section explicite la façon dont les matériaux ont été choisis, grâce à
l’utilisation du logiciel CES Edu Pack et de bancs de test permettant de vérifier de préalables calculs théoriques. Finalement, une discussion est menée au sujet des diverses possibilités d’optimisation des choix qui ont été faits, pour conclure sur l’intérêt de l’usage de la
thermoélectricité.

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Thermoélectricité
L’effet thermoélectrique consiste en la transformation d’énergie thermique en énergie

électrique, ou inversement. Le premier effet thermoélectrique a été découvert en 1821 par
le physicien Thomas Johan Seebeck 1 qui remarqua qu’une différence de potentiel électrique
apparaît sur les extrémités d’un matériau soumis à un gradient de température. Par la suite,
Jean Peltier 2 découvrit le second effet thermoélectrique et William Thomson 3 le troisième.[2]
Les trois scientifiques ont donné leur nom respectif à l’effet qu’ils avaient découvert : Seebeck,
Peltier et Thomson. Seul l’effet Seebeck est abordé dans cette partie théorique car il suffit à
expliquer le fonctionnement d’un module thermoélectrique. Les descriptions des effets Peltier
et Thomson se trouvent en Annexe A.

2.1

Effet Seebeck

L’effet Seebeck est l’apparition d’une différence de potentiel électrique ∆V entre les extrémités d’un matériau lorsqu’un gradient de température ∆T lui est appliqué. En prenant
deux matériaux de coefficients Seebeck différents (α1 et α2 ) connectés électriquement en série
par des jonctions et thermiquement en parallèle, et en leur appliquant deux températures
différentes (TH >TB ), une différence de potentiel apparaît [2]. Cet effet est caractérisé par
l’équation :
∆V = (α2 − α1 )(TH − TB ) = α21 ∆T.

(1)

Le coefficient Seebeck a été défini sur la base d’un classement des matériaux ayant une
influence plus ou moins grande sur l’effet thermoélectrique. Pour cette raison, la valeur
absolue du coefficient Seebeck intrinsèque est aussi appelée le pouvoir thermoélectrique [3].
Physiquement, cet effet peut être expliqué comme étant le résultat du déplacement des
porteurs de charge. En raison de l’agitation thermique, les électrons ont tendance à quitter
1. Physicien allemand né en 1770 et décédé en 1831.[1]
2. Physicien français né en 1785 et mort en 1845.[1]
3. Physicien britannique né en 1824 et décédé en 1907.[1]

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Figure 1 – Illustration de l’effet Seebeck
l’extrémité chauffée. La jonction chaude se charge alors positivement, tandis que la jonction
froide se charge négativement. En conséquence, une différence de potentiel électrique est
observée.

2.2

Couple thermoélectrique

Un couple thermoélectrique est un circuit fermé qui répond à l’effet Seebeck. Chaque
couple thermoélectrique est composé d’un semi-conducteur de type p et d’un semi-conducteur
de type n. Pour rappel, un semi-conducteur est un matériau dont le comportement électrique
peut être expliqué par la théorie des bandes d’énergie. Selon cette théorie, la bande interdite
est suffisamment étroite pour permettre aux électrons de valence de rejoindre la bande de
conduction. Il est possible de doper les semi-conducteurs en les alliant à des atomes de type
n (atomes comportant plus d’électrons de valence que le semi-conducteur), ou de type p
(atomes comportant moins d’électrons de valence que le semi-conducteur).

Figure 2 – Bandes d’énergie pour les semi-conducteurs et pour les semiconducteurs dopés [12]
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La Figure 2 met en évidence l’avantage d’un semi-conducteur dopé. En effet,un dopage
de type n permet de réduire la barre d’énergie à franchir pour que les électrons passent
dans la bande de conduction alors qu’un dopage de type p permet la mobilité des "trous"
représentant l’absence d’électron.

2.3

Facteur de mérite ZT

L’effet qui sera mis à profit dans le cadre de ce projet est l’effet Seebeck. L’effet thermoélectrique sera concrétisé par un module thermoélectrique utilisé comme générateur d’électricité. Il est donc intéressant d’obtenir la meilleure efficacité possible en terme de conversion
d’énergie. En décrivant mathématiquement cette efficacité, définie comme le rapport entre la
puissance électrique produite et la puissance thermique absorbée du côté chaud, une nouvelle
variable Z est introduite [3]. Celle-ci est définie comme le facteur de mérite du matériau et
caractérise sa performance thermoélectrique. Il est à noter que la maximisation de ce rapport
de conversion d’énergie thermique en énergie électrique impose l’optimisation de ce facteur
de mérite, comme l’illustre le graphe ci-dessous.

Sur ce graphe, la barre verticale rouge indique la température ambiante 300 K et la double
flèche horizontale bleue montre que pour un ZT de 1 et un gradient de 100 K, l’efficacité
maximale est de 5%. De façon plus générale, d’une part, pour un même ZT, l’efficacité augmente avec la température et, d’autre part, pour une température fixée, l’efficacité augmente
avec ZT [7].
L’expression du facteur de mérite apparaissant dans la formule du rendement maximum
s’exprime comme suit, avec λn et λp , respectivement les conductivités thermiques des matériaux thermoélectriques dopés n et p , σn et σp les conductivités électriques de ces mêmes
matériaux et avec αnp le facteur différentiel de Seebeck entre les matériaux n et p.

ZC =

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2
αnp
1

1

(( λσnn ) 2 + ( λσpp ) 2 )2
5

(2)

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Figure 3 – Efficacité de conversion maximale théorique en génération d’électricité
[7]

Toutefois, dans la mesure où les deux matériaux de la jonction ont des propriétés thermoélectriques similaires [3], on introduit le concept de facteur de mérite adimensionnel ZT,
défini par :

ZT =

σ × α2
T
λ

(3)

σ : conductivité électrique (Ω−1 .m−1 )
λ : conductivité thermique (W.K.m−1 )
α : coefficient Seebeck (V.K −1 )
T : température absolue (K)
Cette formulation simple et explicite de ce facteur met immédiatement en exergue les
caractéristiques primordiales d’un matériau thermoélectrique performant. Celui-ci doit donc
avoir une conductivité thermique faible, ce qui permet de réduire le flux de chaleur que le
module ne transforme pas en électricité . Il doit également avoir une conductivité électrique
ainsi qu’un coefficient de Seebeck, révélateur du pouvoir thermoélectrique, élevés (influence
au carré) ce qui permet de diminuer la perte de puissance électrique par effet Joule [2]. Toutes
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les grandeurs utilisées dans la définition de ce facteur adimensionnel peuvent être considérées
comme indépendantes de la température, ce qui n’est vrai que jusqu’à un certain écart de
température. En toute généralité, il faut compter approximativement une marge d’erreur de
10 % [3].

En ce qui concerne ces grandeurs :
• Le coefficient Seebeck α a été explicité dans une section précédente.
• La conductivité électrique σ est donnée pour un matériau de type n ou de type p et
caractérise son aptitude à permettre le déplacement libre de charges électriques.
• La conductivité thermique λ est liée à deux types de comportements selon la relation
suivante :

λ = λe + λp

(4)

Où λe est la contribution de porteurs de charge (ions, électrons, trous) et λp est
la contribution des vibrations des atomes (phonons). En effet, dans un matériau, la
conductivité thermique existe d’une part par le mouvement des porteurs de charge et
d’autre part, de par sa structure interne, qui favorise ou non la propagation de modes
propres de vibration correspondant à des ondes décrites par les phonons[7]. Ces derniers sont les analogues, pour les solides, des photons lumineux. En effet, ils répondent
à la même dualité onde/particule et interviennent dans de nombreuses propriétés, notamment la conductivité thermique[8]. La contribution des porteurs de charge, quant à
elle, est liée à la conductivité électrique σ du matériau par la loi de Wiedmann-Franz,
où L0 est le facteur de Lorentz.

λe = L0 T σ

(5)


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L0 = 2, 45 × 10−8 V 2 .K −2
Cette valeur, calculée pour les métaux, est considérée comme valable dans le cas des
semi-conducteurs en thermoélectricité[7]. Après analyse de ces différentes équations, il apparaît que toutes ces grandeurs sont liées entre elles. Il s’agit donc de déterminer quel type de
matériau détient les meilleures caractéristiques pour constituer un module thermoélectrique.
En observant la figure ci-dessous, il en ressort que ce sont les semi-conducteurs qui optimisent
au mieux le paramètre ZT.

Figure 4 – Représentation schématique du pouvoir thermoélectrique S et de la
conductivité électrique κe en fonction de la densité de porteurs n à température
ambiante. [6]
Ceci est confirmé par une étude du facteur de mérite par CES. Cette recherche a également
permis de confirmer le choix du bismuth de tellure comme meilleur matériaux pour le module
thermoélectrique dans le cadre de cette application. Dans l’équation du ZT, T étant est une
constante définie par la température que doit atteindre le module thermoélectrique pour
alimenter le ventilateur, il est possible d’isoler un coefficient de performance noté : M =

(σα2 )
.
λ

Cet indice contient les variables permettant de trouver les matériaux qui maximisent au
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mieux le coefficient ZT. Ce coefficient est maximisé dans le cas où le matériau possède
une bonne conductivité électrique et une mauvaise conductivité thermique. En utilisant une
échelle logarithmique, une équation de droite de pente 1 est obtenue : log(M ) + log(λ) =
log(σ.α2 ). log(σ.α2 ) est porté en ordonnée et log(λ) en abscisse, la classe verte représente les
matériaux semi-conducteurs, la classe rouge les métaux, la bleue foncée les plastiques, la bleue
claire les élastomères, la jaune les matériaux hybrides (mousses, matériaux composites,. . . ).

Figure 5 – Graphe d’optimisation du facteur de mérite des matériaux par classe.
[6]
Une droite de pente 1 permet de mettre en évidence les matériaux favorables à la maximisation du coefficient de performance : il s’agit des matériaux conducteurs en vert. Le graphe
ci-dessous fournit le caractère isolant ou conducteur électrique des matériaux. Le coefficient
de performance est porté en ordonnée : Les matériaux de la famille des semi-conducteurs ont,
effectivement, un facteur de mérite plus élevé que les autres familles de matériaux.Le bismuth
de tellure semble être le meilleur matériau à utiliser dans les modules thermoélectriques pour
la gamme de température visée dans le cadre du projet.

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Figure 6 – Graphe de sélection du matériau thermoélectrique le plus performant.
[6]
En ce qui concerne les matériaux pris individuellement, la valeur de ZT augmente en
fonction de la température jusqu’à atteindre un maximum pour décroître ensuite. Ceci est
une conséquence immédiate du fait que le facteur de puissance est proportionnel au nombre
de porteurs d’un matériau. On constate, grâce à ce graphe, que le meilleur compromis afin
d’optimiser le ZT réside, en effet, en les matériaux semi-conducteurs, étant donné que leur
coefficient de Seebeck et leur conductivité électrique sont tous deux à valeur moyenne et que
leur nombre de phonons et d’électrons ont les mêmes ordres de grandeurs. Plusieurs techniques visant à l’amélioration de ce facteur ont été développées. Leur but est d’augmenter
le facteur de puissance en réduisant la contribution du réseau λp à la conduction thermique,
étant donné qu’on ne peut inférer sur la contribution de λe sans intenter à la conductivité
électrique.

Une première méthode consiste à doper le matériau. Le dopage en lui-même sera plus
clairement explicité au chapitre suivant. Il permet d’augmenter le nombre de porteurs et
donc la conductivité électrique, mais aussi de rétrécir la bande d’énergie interdite du matériau, ou entre des constituants du matériau, afin d’élargir la zone de passage des électrons.

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De plus, le dopage accroît le nombre d’impureté et, par conséquent, permet de s’opposer à
la propagation des phonons.

Une autre méthode consiste à utiliser la nanostructuration. Il s’agit, d’une part, de diminuer la taille des cristallites 4 car, en rapetissant leur dimension, il y a confinement des
électrons et autres porteurs, ce qui implique une augmentation de la densité électrique[9].
D’autre part, il s’agit d’insérer des agrégats de taille nanométrique, qui engendrent également
une variation de la densité mais au niveau de la structure du matériau, ce qui provoque une
perturbation d’un large spectre d’ondes de phonons et donc une diminution de la conductivité thermique. Il faut cependant être vigilant de choisir des agrégats qui ne perturbent pas
le déplacement des électrons, sinon il y aurait perte de la conductivité électrique [3].

2.4

Fonctionnement d’un module thermoélectrique.

Un module thermoélectrique est un dispositif composé de plusieurs couples thermoélectriques. Ce module comprend tout d’abord deux matériaux semi-conducteurs, un de type
p et un de type n. Par la suite, le terme de "pattes" sera utilisé pour désigner ces semiconducteurs. Ces pattes sont reliés par un matériau possédant une très bonne conductivité
électrique. Celui-ci est la jonction entre les matériaux et portera, dans cette section, le nom
de "languette" [4]. Comme il a été expliqué précédemment, si les languettes de part et d’autre
des pattes sont soumises à des températures différentes, il apparaît alors une différence de
potentiel entre les deux pattes.

Le nombre de pattes est augmenté de manière à transmettre des flux thermiques et des
puissances électriques plus importantes. Les pattes sont reliées électriquement en série de
manière à sommer les différences de potentiel électrique. En revanche, elles sont disposées
thermiquement en parallèle dans le but de conserver le gradient de température. Bien sûr,
les conducteurs de type p et n doivent avoir des propriétés physiques relativement proches
4. Il s’agit d’un domaine de matière ayant la même structure qu’un monocristal, communément appelé
"grain" en métallurgie

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Figure 7 – Représentation de plusieurs couples thermoélectriques [6]
de sorte que les pattes aient la même géométrie. L’alternance des pattes thermoélectriques
et des languettes constitue un circuit électrique. Ce dispositif est ensuite recouvert par des
plaques d’isolant, bien souvent en céramique, qui permettent de maintenir l’assemblage[2, 4].
Ce dispositif en entier constitue un module thermoélectrique, schématisé ci-dessous.

Figure 8 – Illustration d’un module thermoélectrique [4]
Il existe deux moyens principaux d’utiliser la thermoélectricité. D’une part, il y a des
modules qui génèrent de l’électricité à partir d’un gradient de température, appelés modules
générateurs. D’autre part, il existe aussi des modules de refroidissement servant à la production d’un flux de chaleur suite à la présence d’un courant électrique.

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Aspects environnementaux
Les éléments constitutifs du module thermoélectrique sont le tellure, l’alumine, le bis-

muth, l’antimoine et le cuivre. Ces éléments sont, pour la plupart, des métalloïdes. Ces
matériaux, s’ils n’ont pas été préalablement recyclés, doivent être extraits du sol, ce qui
engendre un destruction de l’environnement. Après cela, les minerais doivent être lavés et
affinés. Ces opérations imposent l’utilisation de grandes quantités d’eau qui devront ellemême être retraitées. En effet, la pollution engendrée par la contamination des eaux en
métaux lourds est néfaste pour l’écosystème, ces molécules non biodégradables étant susceptibles de provoquer des effets inattendus sur les espèces vivantes. Une fois extraits du sol, les
minerais sont transportés dans des usines chimiques où ils subiront divers traitements. Tous
ces procédés ont des coûts énergétiques élevés, utilisent énormément de ressources et ont un
caractère toxique ou polluant.

Le tellure et l’alumine sont des éléments difficilement recyclables. Leur toxicité est réelle,
en particulier pour l’alumine, étant donné son importante production mondiale.Le bismuth
n’est également que peu recyclé, ce qui pourrait devenir un problème au vu de la croissance
de la demande mondiale. Son impact sur la santé et l’environnement est méconnu mais il
est considéré comme le moins dangereux des métaux lourds. L’antimoine est naturellement
présent dans le sol et le pollue faiblement, 56 % de sa production est recyclée. Ses effets sur la
santé sont, quant à eux, peu connus. Le cuivre se trouve, à l’état naturel, généralement sous
forme de sels et à de faibles profondeurs ce qui limite les activités polluantes d’extraction.
Par contre, ne se trouvant pas sous forme pure, ce métal nécessite de passer par de nombreux
processus chimiques avant d’être utilisable pour les diverses applications industrielles. Son
utilisation est en constante augmentation. De plus en plus de cuivre se retrouve dans les
sols et les eaux de surface et pollue considérablement l’environnement. Heureusement, il est
actuellement largement recyclé. Son impact sur la santé n’est considérable que sous condition
d’exposition à long terme et/ou d’ingestion en grandes quantités.

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Les éléments chimiques, en tant que tels, ne sont pas responsables de la pollution mondiale, en effet, ces éléments sont naturellement présents sur la planète. En revanche, ce qui
n’est pas naturel, c’est leur forte concentration due à l’activité humaine à certains endroits
du globe (eaux, sols, atmosphère). Le niveau de toxicité et de pollution localisée à de petites
zones est uniquement dû à leur proportion.

Le module thermoélectrique qui sera utilisé pour le barbecue ne présente que de faibles
quantités de ces éléments. Celui-ci possède des dimensions réduites et ne représente donc pas
un réel danger pour l’environnement. Il permet de recycler l’énergie thermique en énergie
électrique évitant ainsi le recours à une source électrique exogène. L’utilisation de cet appareil est donc plus intelligente et plus éco-responsable que la plupart des sources énergétiques
qui conviendraient également à ce projet. Cependant, il faut garder à l’esprit la toxicité et
les dégâts environnementaux liés à ce éléments ou à leur extraction dans le cas d’une montée
en échelle de leur production.

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Modélisation

Figure 9 – Représentation 3D du barbecue thermoélectrique

1. Boîte contenant le ventilateur.

6. Face amovible.

2. Isolant.

7. Face percée.

3. Module thermoélectrique.

8. Grille latérale.

4. Ventilateur.

9. Barre conductrice.

5. Refroidisseur CPU
Le but du barbecue étant qu’il y ait un apport d’oxygène vers les braises, il faut trouver
un système qui permette à la fois d’apporter de la chaleur au module thermoélectrique mais
également de canaliser le flux d’air du ventilateur vers les braises tout en n’abîmant ni le
module ni le ventilateur. L’apport en air est mieux réparti au sein de la cage principale
contenant le charbon s’il provient du dessous plutôt que d’un côté. Placer le module et le
ventilateur en dessous du feu risque de les abîmer et la chaleur environnante réduit le gradient de température nécessaire au fonctionnement du module. C’est pourquoi le système
ventilateur-module est situé dans une boite placée sur le côté de telle manière qu’il soit
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protégé des hautes températures et de la pluie. La plaque sur laquelle les braises reposent
est percée afin de laisser l’air circuler librement depuis le ventilateur comme indiqué sur le
schéma ci-dessus. Les trous sont placés de telle sorte qu’il y ait une densité de trous croissante dans le sens du flux d’air pour répartir au mieux l’oxygène sur l’ensemble des braises.

Le module ayant besoin d’un certain gradient de température à ses extrémités, une barre
conductrice qui baigne dans le feu transmet un flux de chaleur vers la face supérieure du
module. La température des braises étant très élevée, la barre conductrice est trop chaude et
risquerait d’abîmer le module, c’est pourquoi un isolant est situé entre les deux afin d’avoir
les conditions optimales d’utilisation du système. Pour éviter que la face inférieure du module ne se réchauffe par homogénéisation de la température, un radiateur se trouvant contre
celle-ci permet une évacuation plus rapide de la chaleur et, afin d’accentuer d’avantage cet
effet, le ventilateur apporte de l’air frais à celui-ci pour augmenter le gradient de température
nécessaire au fonctionnement du module.

Le barbecue est composé de deux grilles latérales, ce qui permet une cuisson sur les côtés
grâce à un système de crochets où des broches pourront être déposées. Le dessus de celui-ci
est ouvert offrant la possibilité à l’utilisateur de choisir son type de grille selon son envie.
De plus, l’ouverture permet d’alimenter le barbecue en charbon et d’allumer le feu. Deux
poignées sont également accrochées afin de le transporter aisément.

Le côté esthétique et pratique du barbecue a également été mis en valeur via deux autres
ajouts intéressants. Le premier est l’amovibilité de la plaque joignant les deux grilles latérales, ce qui permet un nettoyage complet des deux étages, et le deuxième est une trappe
placée sur la boîte du système ventilateur-module qui donne la possibilité de regarder l’intérieur de celle-ci et de vérifier que tout est bien en place. Toutes les pièces qui constituent
la structure du prototype sont issues soit de la récupération soit de l’achat en magasin (cf.
Annexe C).

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Choix des matériaux

5.1

Structure principale

Il n’a pas été nécessaire de faire des recherches poussées sur le matériau composant le
boîtier contenant les braises. Un ancien transformateur, constitué d’acier, a été récupéré et
convient parfaitement. En effet, l’acier est un matériau solide et résistant aux hautes températures. Il est cependant également connu pour sa mauvaise résistance à la corrosion. Pour y
remédier différentes solutions existent, telle que l’application d’une peinture anti-corrosive :
comme les schémas de la partie précédente le montrent, le boîtier a donc été peint en noir.
La structure en U est également constituée d’acier inoxydable récupéré, ce qui ne permet pas
de la souder facilement à la partie supérieure du barbecue. La structure a donc finalement
été vissée au boîtier contenant les braises mais l’étanchéité demeure malgré tout garantie.
Pour la renforcer d’avantage, la structure a été découpée dans une seule taule puis pliée à
la place de fixer plusieurs découpes ensemble. Enfin, le groupe a également opté pour l’acier
de part le fait que ce matériau est facilement recyclable.

En ce qui concerne la boite contenant le ventilateur, il faut que le matériau choisi permette
d’isoler thermiquement le module et le ventilateur pour ne pas les abîmer mais également
de ne pas réchauffer la face froide du module. Le bois semble donc une bonne solution car
il est recyclable et se travaille facilement. Pour éviter de trop le chauffer voire le brûler, un
espace à été laissé entre celui-ci et la cage principale en acier pour que l’air isole le bois, ce
qui donne la structure en L du boîtier visible sur la figure 13. En-dessous du barbecue, une
plaque de bois "MDF ignifuge" isole thermiquement celui-ci du sol ou de la table ; ce MDF
étant ignifuge, il est utilisé pour éviter que la plaque ne chauffe ni ne noircisse. Ceci permet
de poser le prototype librement sans devoir lui installer de pieds. Pour éviter le mélange de
trop de couleurs différentes, la plaque a aussi été peinte en noir comme le boîtier contenant
2016-2017

17

Projet BA2

les braises.

5.2

Barre conductrice

La barre conductrice est la pièce la plus importante de ce barbecue et doit satisfaire
plusieurs contraintes. Tout d’abord, elle doit pouvoir résister à de très hautes températures,
la température des braises étant comprise entre 800◦ C et 1000◦ C , son point de fusion doit
être au-dessus de ces valeurs. Ensuite, elle doit avoir une grande conductivité thermique, il
faut que la chaleur soit rapidement apportée au module. Pour finir, afin de minimiser au
maximum le coût de fabrication, il est préférable qu’elle ne dépasse pas les 10 euros par
kilogramme.

Figure 10 – Graphique donnant le point de fusion en fonction de la conductivité
thermique des matériaux

Une analyse avec le programme CES Edupack a permis d’avoir un aperçu des matériaux
possibles pour la barre conductrice. En appliquant les contraintes citées, il ne reste que deux
familles de matériaux : les métaux et alliages, et les céramiques techniques. Ces premiers ont
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18

Projet BA2

tout de même, globalement, une plus grande conductivité thermique et ils sont également
plus accessibles et plus faciles à mettre en forme. Parmi ces matériaux, deux en ressortent :
le cuivre (en rouge) et l’acier (en vert). Les deux matériaux présentent des avantages et des
inconvénients. Le cuivre a une conductivité thermique très grande, mais son point de fusion
est proche de la température maximale des braises, il risque donc de perdre sa rigidité. Le
point de fusion de l’acier est bien meilleur, mais sa conductivité thermique est bien moins
élevée.

Un banc de test [Figure 11] a permis d’avoir une meilleure idée de la conductivité thermique de chaque barre, dans des conditions similaires au barbecue final. Deux barres, une
en acier et l’autre en cuivre, ont été récupérées. Elles ont ensuite été chauffées au charbon
à l’une de leurs extrémités et un thermocouple a permis de mesurer la température obtenue
à l’autre extrémité, où le module sera placé. La barre en cuivre a ensuite été disposée de
différentes façons afin de maximiser la température obtenue au bout de celle-ci. Dans la
première situation, il y a du charbon au-dessus et en dessous de la barre. Dans la deuxième,
il n’y a du charbon plus qu’en-dessous de la barre. Et dans la troisième, la barre est placée
verticalement et il y a du charbon des deux côtés de celle-ci.

Figure 11 – Résultat du banc de test

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Projet BA2

On conclut que la barre en cuivre conduit davantage et plus rapidement la chaleur que
l’acier. Les situations 1 et 3 permettent une meilleure conduction, ce qui s’explique par une
plus grande surface de contact avec les braises. Par contre, la situation 1 demande beaucoup
plus de charbon et le barbecue étant petit, elle est impossible à réaliser. Le meilleur choix
possible est donc de prendre la barre en cuivre et de la tordre afin qu’elle soit horizontale du
côté du module et verticale du côté en contact avec les braises.

5.3

Isolants

Une deuxième analyse avec le programme CES Edupack [Figure 14] a permis d’avoir
un aperçu des matériaux possibles pour l’isolant qui se place entre la barre conductrice et
le module. Pour filtrer les matériaux, plusieurs contraintes ont été appliquées : le point de
fusion supérieur à 500◦ C, la température de service maximale supérieure à 500◦ C et le prix
par kilogramme inférieur à 10 euros. Parmi les différents matériaux restants, seuls le béton,
la brique et le mica sont facilement accessibles. La brique a été exclue, car elle est plus
difficile à travailler. Pour choisir entre les deux matériaux restants, les épaisseurs nécessaires
pour conduire la température voulue au module, ont été calculées avec la loi de Fourier. Pour
cela, il a fallu faire des approximations. En effet, la conductivité thermique des différents
types de bétons n’est pas très précise sur le graphique, elle varie en fonction de la densité
du béton, il a fallu faire une grande approximation. Le mica a une conductivité plus précise,
l’approximation est négligeable.

H=

kS∆T
L

(6)

H = flux de chaleur = 150 W (flux dissipé par le module)
S = surface de contact = 0.0016m2
L = épaisseur du matériau
kbéton = 1.34W.m−1 .K −1
kmica = 0.5W.m−1 .K −1
Température de la face chaude = 325◦ C
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Projet BA2

Température de la face froide = 150◦ C
∆T = écart de température entre les deux faces de la pièce = 175◦ C
Ainsi on obtient qu’il faut 2.5 mm pour le béton et 0.93 mm pour le mica. Le béton s’est
avéré finalement plus compliqué à travailler que prévu. Il est difficile de le polir pour obtenir
l’épaisseur voulue. Des feuilles de mica d’une épaisseur de 0.5 mm nous ont été fournies et
cela a facilité le choix final. Ainsi, deux feuilles de mica sont placées entre la barre conductrice
et le module afin de garantir une température adéquate pour le module.

Figure 12 – Graphique donnant le produit de la densité et du prix en fonction
de la conductivité thermique des matériaux

Le béton est choisi pour isoler la barre conductrice de l’acier et du bois qui sont en contact
avec celle-ci. Comme vu précédemment, malgré l’imprécision sur sa conductivité, le béton
est un bon isolant. Il protège le bois pour qu’il ne s’abîme pas et cela évite d’avoir un pont
thermique au niveau de l’acier. C’est la raison pour laquelle la barre n’a pas d’autres points
d’appuis sur l’acier, ce qui permet d’ éviter les pertes de flux de chaleur.

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5.4

Pince de Mohr

Le module a besoin du plus de surface possible en contact avec l’isolant et le radiateur
mais également d’une certaine pression pour fonctionner. Un système de fixation a donc été
fabriqué de telle sorte que la barre conductrice, l’isolant, le module et le radiateur soient
serrés entre eux et bloqués par un bloc de bois. Deux tiges parallèles sont vissées dans ce
bloc et permettent de fixer le tout au plafond de la boîte en bois. Ce système est basé sur le
fonctionnement des pinces de Mohr.

5.5

Barbecue final

Figure 13 – Barbecue final

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Projet BA2

6

Fonctionnement de groupe
Le fonctionnement du groupe a été évalué à plusieurs reprises tout au long du projet, afin

de tendre vers l’objectif commun avec le plus d’efficacité et de qualité possible. Une matrice
SWOT a été établie d’une part afin de cerner les forces et faiblesses du groupe dans le but
de s’améliorer mais aussi d’autre part pour prendre conscience des opportunités disponibles,
afin de les exploiter au mieux et de pouvoir anticiper les éventuelles "menaces" pour trouver
des solutions rapides et efficaces.

Figure 14 – Matrice SWOT

Il ressort de cette analyse que le groupe a pu tirer sa force dans une excellente cohésion de
groupe et dans une belle créativité, qui a permis à toutes les idées d’être entendues, réfléchies
et testées pour aboutir au prototype original présenté par le groupe. La complémentarité de
chacun selon ses domaines de prédilections et l’entre-aide ont également permis au groupe
d’être efficace dans les situations problématiques. Cependant, ces qualités ont malheureusement été entravées par des soucis de communication, de gestion de temps et de répartition
des tâches au fur et à mesure de l’avancement du projet, et certainement apparues à la suite
de la session d’examens de janvier, source de relâchement général. Ces faiblesses ont d’autant
plus été accentuées que la construction du prototype requiert la présence de techniciens et
l’utilisation de machines qui ne sont toutes deux plus accessibles durant certaines tranches
horaires. Heureusement, le groupe a pu bénéficier de beaucoup d’opportunités telles que le
partage de matériel ainsi que l’aide des techniciens et de leur tutrice.

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7

Discussion
Le prototype finalement monté et testé, plusieurs constatations quant aux problèmes ren-

contrés en cours de réalisation et quant aux améliorations possibles ont pu être faites.

Tout d’abord, en ce qui concerne le principe de conduction de la chaleur par l’intermédiaire d’une barre conductrice s’est avéré effectif mais moins efficace que prévu. En effet, le
temps mis par la barre de cuivre pour fournir un gradient de température suffisant à l’activation du ventilateur est de plus de 20 minutes. Ceci aurait pu être solutionné en plaçant
le boîtier non pas en bout de barbecue mais plutôt sur le côté, afin de réduire la longueur
de la barre et ainsi diminuer les pertes de chaleur, dues à la surface à l’air libre, mais aussi
d’acheminer la chaleur plus rapidement puisque devant parcourir une distance plus courte.
Le groupe a pris la décision de placer le système au bout de la structure et non pas au centre
afin de s’assurer qu’un maximum du flux d’air provenant du ventilateur serait fourni aux
braises.

Ensuite, de nombreuses difficultés liées au choix de l’isolant sont dues à la discordance
entre les calculs théoriques et les données expérimentales. En effet, la barre conductrice n’atteint pas la température théorique des braises de 900◦ C mais une valeur bien inférieure de
500◦ C. Le problème le plus important dans le choix du matériau isolant venait également
du fait qu’un compromis entre conduction et isolation était nécessaire afin que d’une part,
un gradient de température s’établisse rapidement pour actionner le ventilateur au début
de l’utilisation du barbecue mais que d’autre part, l’isolant permette de ne pas dépasser la
température maximale de service du module thermoélectrique lors de l’usage du prototype.
Ce problème a pu être résolu grâce à l’usage du mica qui, s’il avait été premièrement rejeté
pour cause de température maximale de service théorique à 500◦ C, s’est avéré tout à fait
utilisable dans nos conditions.

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Par ailleurs, un problème plus mineur consiste en la taille finale du barbecue. En effet,
si l’objectif initial était d’avoir un petit barbecue transportable, il s’est avéré que la mise
en place du système de ventilation était beaucoup plus imposante que prévu, jusqu’à représenter la majeure partie du prototype. Cet inconvénient est principalement dû au fait que
le modèle a entièrement été pensé à partir de la cage du transformateur recyclé, ce qui a
inévitablement amené certaines contraintes. Un tout autre plan aurait pu être pensé pour
optimiser la surface de cuisson et minimiser l’espace prévu pour l’ensemble du mécanisme
de ventilation.

Finalement, en ce qui est de l’utilisation de la thermoélectricité, le groupe a pu se rendre
compte que, s’il s’agit d’un moyen extrêmement intéressant de conversion d’énergie et que les
domaines d’applications sont si variés que cette technologie s’applique du domaine spatial au
domaine commun, comme en témoigne ce projet de barbecue, la thermoélectricité a encore
des limites contraignantes. Les plus importantes étant le manque de puissance fournie et la
température nécessaire au fonctionnement du module, puisqu’en effet, ce n’est qu’à partir de
190◦ C que le module produit un courant suffisant, certes, pour allumer le ventilateur, mais
trop faible pour que celui-ci souffle à une puissance capable d’aviver les braises.

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8

Conclusion
Ce projet avait pour objectif d’utiliser la thermoélectricité dans le cadre d’un système de

ventilation lors de l’usage de barbecues. Les seules contraintes étaient l’utilisation du ventilateur et du module thermoélectrique fourni par le service 4MATH et un budget maximum
de 100 euros, l’assemblage et le design du prototype étaient donc entièrement libres.

Tout d’abord, ce projet a permis aux étudiants d’approcher une véritable démarche scientifique. En effet, le projet a débuté par une phase d’observation des différents éléments fournis
et trouvés grâce aux différentes machines du service. Ensuite, il y a eu une recherche théorique par rapport à la thermoélectricité et au fonctionnement des modules. Une étape de
sélection des matériaux et, par conséquent de discussion, a pris place grâce au logiciel CES
Edu Pack. Finalement, les résultats théoriques ont pu être confrontés à leur réalité pratique
lors de différents bancs de test ainsi que lors de la construction du prototype final.

Afin d’obtenir un module thermoélectrique performant et délivrant le maximum de puissance, il faut tenir compte de différents paramètres. Son but étant de créer un courant au
moyen d’un gradient de température, la disposition des éléments au sein du module et le
choix de ces constituants ne se fait pas au hasard. En effet, en fonction des températures
extérieures au module et du courant que l’on veut obtenir, il est possible de sélectionner des
matériaux délivrant une puissance appréciable. Un facteur de mérite élevé en est un bon
indicateur. L’un des principaux inconvénients du module thermoélectrique provient du fait
que dès le moment où le gradient de température n’est plus suffisant, le courant électrique
s’amoindrit. Par conséquent, pour éviter ce désagrément, on choisit des matériaux étant
bons conducteurs d’électricité mais mauvais conducteurs de chaleur. La disposition doit être
telle que les électrons puissent facilement transiter entre les plaques du module tout en ne
communiquant pas leur énergie thermique.

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Les modules thermoélectriques sont capables de recycler soit l’énergie thermique en énergie électrique, ce qui est appelé l’effet Seebeck, utilisé dans ce projet, soit de recycler l’énergie
électrique en énergie thermique, appelé effet Peltier. Ces modules étant petits, seule de faibles
quantité de matière, potentiellement polluantes pour l’environnement, sont utilisées, ce qui
rend les modules thermoélectriques très intéressants.

Le prototype construit dans le cadre de ce projet est basé sur le recyclage d’une cage de
transformateur. Le groupe a donc modélisé le système de ventilation en l’articulant autour
de celle-ci, avec les contraintes et les avantages que cela procure. En effet, d’une part, la
partie essentielle du barbecue, à savoir grille et récipient pour le charbon, était déjà en place
mais le boîtier contenant le système était à construire en fonction de cet ensemble.

Quant au système choisi pour acheminer la chaleur au module et le refroidir, il est constitué d’une barre de cuivre trempant dans les braises pour ce qui est de la face chaude du
module et d’un refroidisseur de processeur couplé au ventilateur pour ce qui est de la face
froide du module. L’ensemble est isolé par divers matériaux sélectionnes grâce à CES et par
bancs de test.

L’assemblage final du prototype a été effectué en groupe. Il a permis de confronter les
étudiants à des réalités plus pratiques et à aborder un terrain plus technique, en donnant un
aperçu de nombreuses techniques de travail des matériaux.

Pour conclure, ce projet a fourni de nombreuses connaissances, non seulement sur la
thermoélectricité que sur des techniques propres à la sciences des matériaux. D’une part,
si les choix effectués au cours de ce projet ont leurs désavantages, ils ont également leurs
qualités et il est toujours possible d’optimiser ces derniers pour les rendre aussi efficaces, voire
d’avantage efficaces que d’autres possibilités. Dans le cadre de ce projet, la thermoélectricité
a été utilisée, comme explicité précédemment, pour activer un ventilateur. Seulement, si le

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but était honorable, le peu de puissance fournie l’a rendue peu rentable. D’autre part, si la
thermoélectricité est un moyen intéressant de conversion d’énergie, il y a certainement encore
beaucoup de progrès à faire dans ce domaine pour la rendre compétitive vis à vis d’autres
formes d’"énergies vertes".

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Références bibliographiques
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renouvelables.

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[8] Phonons.(s.d).

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http://www.nature.com.ezproxy.ulb.ac.be/nature/journal/v455/n7214/full/
nature07321.html?cookies=accepted.Dernière consultation : le 26-10-2016.

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[16] Dossier scientifique : l’eau. La pollution métallique Site web sur INTERNET. <http:
//www.cnrs.fr/cw/dossiers/doseau/decouv/degradation/10_pollution.htm>.
Dernière consultation : le 26-10-2016.

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ca/FR/Produits/Pages/Nosprocedes.aspx>.Dernière consultation : le 26-10-2016.

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l’environnement. Site web sur INTERNET. <http://www.lenntech.fr/data-perio/
al.htm>. Dernière consultation : le 27-10-2016.

[21] BLAZY, Pierre. HERMANT, Virginie. Septembre 2013.Article. Métallurgie extractive
du bismuth – Conclusion. Référence : M2316V1.
[22] Lenntech. Propriétés chimiques - Effets du bismuth sur la santé – Effets du bismuth
sur l’environnement. Site web sur INTERNET. <http://www.lenntech.fr/francais/
data-perio/bi.htm>. Dernière consultation : le 29-10-2016.

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Dernière consultation : le 29-10-2016.

2016-2017

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Projet BA2

[24] Lenntech. Propriétés chimiques - Effets de l’antimoine sur la santé – Effets de l’antimoine sur l’environnement. Site web sur INTERNET. <http:
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Dernière

consultation

:

le

29-10-2016.

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Dernière

consulta-

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[27] Lenntech. Propriétés chimiques - Effets du cuivre sur la santé – Impact sur l’environnement. Site web sur INTERNET. <http://www.lenntech.fr/data-perio/cu.htm>.
Dernière consultation : le 26-10-2016.

2016-2017

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Projet BA2

Annexe A : Effets Peltier et Thomson
Effet Peltier
L’effet Peltier est l’inverse de l’effet Seebeck. Lorsqu’un courant électrique parcourt les
jonctions de deux matériaux de natures différentes, il y a un transfert de chaleur d’une
jonction vers l’autre. La chaleur est donc absorbée à une des jonctions tandis qu’elle est
rejetée à l’autre. Comme pour l’effet Seebeck, chaque matériau possède un coefficient Peltier
intrinsèque, noté β. Celui-ci lie le flux thermique Q21 et le courant électrique I au sein du
matériau par l’équation [4]

β21 = β2 − β1 =

Q21
I

(7)

où β1 et β2 sont les coefficients Peltier de deux matériaux.

Figure 15 – Illustration de l’effet Peltier [5]
L’effet Peltier étant l’inverse de l’effet Seebeck, il s’avère intéressant d’établir une relation
entre leurs coefficients. Soient α1 et α2 les coefficients de Seebeck des matériaux respectifs,
cette relation s’écrit [2] :

α21 = α2 − α1 =

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β2 − β1
TH − TB

(8)

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Effet Thomson
L’effet Thomson regroupe les effets Seebeck et Peltier. Il consiste en l’apparition d’un flux
de chaleur lorsqu’un matériau est parcouru par un courant électrique et soumis à un gradient
de température. Réciproquement, un matériau soumis à une différence de température et
traversé par un flux de chaleur génère un courant électrique. Ceci est défini en langage
mathématique par [4] :

Q = τ · I · (TH − TB )

(9)

où τ est le coefficient de Thomson intrinsèque au matériau et Q le flux de chaleur émise
ou absorbée. Les coefficients Thomson et Seebeck sont liés par l’équation suivante [4] :

τ21 = T

dα21
dT

(10)

L’effet Thomson est illustré à la Figure 3.

Figure 16 – Illustration de l’effet Thomson [6]

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Projet BA2

Annexe B : Composition du module thermoélectrique

Afin d’avoir une approche plus expérimentale de la composition du module thermoélectrique, quatre tests ont été effectués :la microscopie optique, le SEM-EDX, le XRD et le
XRF.

Microscopie optique
Le microscope optique a permis de mettre en évidence la structure interne du module
thermoélectrique sans donner d’informations sur les matériaux présents. L’image ainsi obtenue met en évidence plusieurs séries de connecteurs agencés électriquement en série.

Figure 17 – Section du module vue par microscopie optique

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Projet BA2

XRF et XRD
Ces deux méthodes ont permis de connaître la composition de la couche externe du
module, c’est pourquoi un échantillon provenant d’un autre module a été prélevé afin de ne
pas abîmer celui utilisé dans le projet.
La première technique employée est le XRF (X-ray fluorescence). Le principe est d’envoyer un
grand nombre de rayons X sur des noyaux qui réémettront également une certaine quantité
d’énergie sous forme de rayons X. L’analyse du spectre de ces rayons fournit la composition
de chaque élément se trouvant sur la couche externe de l’échantillon. Voici, ci-dessous, les
données obtenues.

Figure 18 – Tableau des concentrations des composants de la couche externe du
module thermoélectrique

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Les atomes les plus abondants sont l’aluminium (Al) , l’oxygène (O) et le silicium (Si)
tandis que le reste représente des impuretés présentes au sein du matériau. Dans le but de
connaître leur agencement , une deuxième technique a été appliquée : le XRD (X-ray diffraction). Elle utilise également la diffraction et représente les résultats obtenus sous forme de
difractogramme. Celui ci-dessous montre que la couche externe du module est principalement
faite d’alumine (Al2 O3 ).

Figure 19 – Diffractogramme de la composition du module thermoélectrique

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Microscopie électronique à balayage (SEM-EDX)
La microscopie électronique a permis de balayer une tranche du module thermoélectrique
afin d’obtenir une image grossissante de ses composants. L’énergie de réémission des électrons
a également permis de découvrir quels éléments atomiques étaient présents, tout en donnant
une indication sur leur proportion au sein du module. Les spectres de réémission des électrons
ont mis en évidence la présence de huit éléments atomiques : de l’oxygène, de l’aluminium,
du tellure, du cuivre, du sélénium, de l’antimoine, de l’étain et du bismuth. Ceux-ci ont été
mis en évidence grâce à des couleurs différentes sur la figure ci dessous :

Figure 20 – Composition du module thermoélectrique (SEM-EDX

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Les éléments du module thermoélectrique sont placés électriquement en série :

Figure 21 – Structure interne du module thermoélectrique par microscopie électronique
Voici les observations découlant du test :
• Les couches externes du module thermoélectrique (zone 7) sont composées d’oxygène
et d’aluminium. Ces éléments forment une céramique d’alumine (Al2 O3 ).
• Les connecteurs (zones 2, 6 et 9) sont constitués de cuivre, un matériau conducteur.
Chaque partie est collée avec la suivante avec de l’étain (conducteur également). Sa
faible proportion explique qu’il s’agit d’un élément qui a permis de souder les petites
pièces ensemble (zone 5 et contour des connecteurs (zone 3)).
• Les deux plots (zones 4 et 8) sont constitués de tellure, de bismuth, de sélénium et
d’antimoine mais dans des proportions différentes. La zone 4 est plus concentrée en
bismuth que la zone 8. La zone 8, quant à elle, est plus concentrée en tellure et en
antimoine.

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• L’interstice entre les plots (zone 1) est constitué de vide. Cependant, les analyses ont
détecté la présence d’oxygène due à l’imperfection de l’appareil effectuant le vide au
sein du microscope. De l’aluminium, provenant certainement de la résine d’enrobage
nécessaire à l’analyse, a également été détecté.
De ces analyses, plusieurs conclusions en découlent. Les couches externes du module thermoélectrique sont constituées d’une céramique d’alumine. A celles-ci sont collés, au moyen
d’étain, des connecteurs en cuivre qui permettent de faire la jonction entre deux petits plots
constitués chacun de tellure, de bismuth et d’antimoine mais dans des concentrations très
différentes. Cette petite structure est répétée plusieurs fois pour former un damier.Elle est
caractéristique d’une mise en série électrique.

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Annexe C : Budget

La confection du barbecue nécessitait de répondre à tous les critères du cahier des charges.
L’une des contraintes est le budget de 100 euros à ne pas dépasser. Voici la liste des matériaux
et objets qui composent le barbecue :

Figure 22 – Budget du barbecue

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