- Cellules Effet Peltier -
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Une Cellule à Effet Peltier (CEP), appelée aussi module thermoélectrique, est un assemblage d'éléments semiconducteurs, entre deux semelles conductrices de la chaleur.
Si on fait passer un courant électrique continu dans un tel montage, il apparaît une «face froide» qui absorbe des calories, et une «face chaude» qui dégage des calories.
Une CEP est donc une pompe à chaleur, c'est-à-dire un dispositif capable de prendre des calories à une source froide pour les restituer à une source chaude.
La technologie des cellules à Effet Peltier ?
Une CEP peut être utilisée:
• soit en refroidissement: la source froide est alors le milieu à refroidir, la source chaude est l'air ambiant ou un autre fluide de refroidissement;
• soit en chauffage: la source froide est l'air ambiant, ou un autre fluide de chauffage, la source chaude est le milieu à réchauffer.
Une des propriétés remarquables des CEP est qu'il suffit d'inverser le sens du courant d'alimentation pour passer de refroidissement en chauffage, et inversement, ce qui permet de réaliser des applications mixtes.
Néanmoins, I'essentiel des applications des CEP se trouve dans le domaine du refroidissement.
En raison de leur technologie compacte et entièrement statique, les CEP peuvent trouver leur utilisation partout où l'emploi de pompes à chaleur thermodynamiques posent des problèmes:
• d'encombrement,
• de fiabilité
• de coût pour les applications de faible puissance.
En particulier les CEP représentent la seule solution, à des conditions d'encombrement et de prix raisonnables, aux problèmes de refroidissement basse puissance (jusqu'à quelques dizaines de watts, avec un écart de température limité entre sources chaude et froide - jusqu'à 50°C environ - ).
Les performances théoriques d'une CEP
Dans une CEP, les éléments thermo-électriques ou «pavés» sont de deux types, N et P, montés en alternance et reliés électriquement en série.
Si on ne considère que les pavés thermo-électriques seuls, sans tenir compte des circuits d'échange thermique avec les milieux chaud et froid, on peut définir les performances théoriques d'un montage.
Ces performances dépendent de 3 caractéristiques du matériau thermo-électrique constituant les pavés:
• a pouvoir thermo-électrique,
• r résistivité électrique,
• k conductivité thermique, (pour simplifier, on considère pour a, r et k les valeurs moyennes entre le matériau P et le matériau N)
et des dimensions des pavés:
• e épaisseur des pavés,
• s section des pavés.
La résistance électrique par pavé est alors:
et la conductance thermique par pavé:
La puissance frigorifique absorbée par la face froide d'une CEP a pour expression:
où :
n est le nombre de pavés de la cellule
I est le courant traversant la cellule
Tf est la température de la face froide des pavés en °K
Tc est la température de la face chaude des pavés en °K.
La puissance calorifique dégagée par la face chaude est:
La puissance électrique fournie à la cellule est:
et la tension aux bornes de la cellule:
Dans le cas le plus fréquent où une CEP est utilisée pour le refroidissement, ses performances peuvent être considérées sous trois aspects:
• Puissance frigorifique Qf,
• Rendement énergétique, appelé
"Coefficient de performance froid" COPf = Qf / Pe.
Si on suppose les températures Tf et Tc égales et constantes, les courbes représentant les variations de Qf et COPf en fonction du courant I ont les allures suivantes:
On voit qu'il existe, pour des courants donnés, un optimum Qf max. et un optimum COPf max. Le point de fonctionnement choisi est généralement un point intermédiaire entre ces deux optima.
Pour une utilisation en chauffage, les performances sont la puissance calorifique Qc et le "coefficient de performance chaud"
En général, on s'intéresse uniquement à l'optimum économique COPc max, car la puissance Qc croît de façon continue avec le courant.
• Ecart maximum de température
Tmax = ( Tc - Tf ) max.
Si on suppose la face froide de la cellule parfaitement isolée thermiquement, soit Qf = 0, I'écart maximum est obtenu pour le courant I = I (Qf max). Il ne dépend que du matériau thermoélectrique et de la température Tf atteinte.
Le coefficient :
est appelé facteur de mérite du matériau.
Performances Réelles et Théoriques- Etude d'une application - Modèle mathématique
Technologie CEP - Service études thermiques - Moyens technologiques - Exemples