Un petit générateur thermique (partie 3)

D’après ce qu’on a vu dernièrement, en récapitulant on sait que:

1) L’effet Seebeck permet à partir d’un différentiel de température de générer de l’électricité. Grâce à un composant électrique appelé module peltier, on convertit l’énergie thermique en énergie électrique. D’après une étude de l’insa de Rouen dispo sur le net (Rapport_P6-3_2008_32%20(1).pdf), si sur la face froide du module la température appliquée est de 38 °C et sur la face chaude 90 °C (donc avec un différentiel de 50°C environ) alors en voltage produit on a 1.161 Volts et en puissance on obtient 0.674 watts environ. Le rendement de cet effet reste très faible ( 2.4 %). L’usage du module est déconseillé pour des températures au-dessus de 100 °C (au risque de le cramer) d’après le fournisseur, mais sachant que ces modules sont constitués essentiellement de tellure de bismuth (fusion à 573°C), de cuivre (fusion à 1085°C) et de céramique (fusion au-delà de 2000°C) peut-être peut-on pousser un peu plus le chauffage avant de les faire claquer…

2) Pour avoir un générateur thermique efficace, il doit délivrer un courant électrique régulier, donc il faut que le différentiel de température soie stabilisé. Le problème c’est que généralement au bout d’un moment la partie froide a tendance à se réchauffer, à s’équilibrer avec la partie chaude car elle n’évacue pas toute la chaleur cumulée donc le différentiel de température diminue, et inévitablement c’est la puissance générée par le module qui finit par chuter.

3) Pour avoir une énergie électrique régulière, il faut peut-être envisager l’énergie thermique passant à travers le module un peu comme une rivière qui coule. Si le débit de la rivière est régulier, alors le moulin (le module) va fournir une énergie mécanique (électrique) régulière. L’énergie thermique doit avoir un débit régulier donc.

Donc comment améliorer la partie froide pour avoir un débit thermique régulier ?

Partie 1: un peu de thermodynamique.

La thermodynamique est une branche des sciences qui étudie les échanges d’énergie entre les systèmes, l’énergie se transmet sous forme de chaleur ou de travail (les 2 sont exprimés en joules donc); ici on va s’intéresser à la chaleur. La chaleur s’envisage comme un échange d’énergie entre systèmes sous forme microscopiquement désordonnée (plus la chaleur transmise est forte, plus les atomes véhicules de cette chaleur vibrent en gros), tandis que la température désigne plutôt l’état d’un système particulier (voir le bouquin « Thermodynamique » de R. Taillet par exemple).

Les échanges de chaleur sont souvent assimilés à des variations de température des systèmes impliqués dans ces échanges. On définit cette chaleur par la formule:

Q=CΔT (Q est la chaleur exprimée en joules reçue par le corps, C la capacité calorifique du corps exprimée en joules par kelvin, et ΔT sa variation de température). En étudiant bien cette formule on constate facilement que plus la capacité calorifique d’un corps ou système est élevée, plus ce corps est capable d’ emmagasiner de la chaleur (pour un différentiel de température identique entre 2 corps différents, celui ayant la plus grosse capacité thermique recevra, captera plus de chaleur). Plus la quantité de matière est importante, plus la capacité calorifique l’est (on va y revenir rapidement).

De façon globale un élément dense est meilleur conducteur de chaleur et a une capacité thermique volumique élevée, et un élément léger c’est le contraire (plus isolant, capacité calorifique faible). Les métaux sont de très bon conducteurs de chaleur.

Bref, il faut envisager un truc (avec du métal ?) dense avec beaucoup de matière pour faire une partie froide potable. La mer pourrait donc constituer un corps à capacité calorifique élevée voire même un thermostat idéal pour notre pile (la mer est capable de récupérer la chaleur produite par la pile sans varier de température, comme un thermostat).

Partie 2: pile thermique solaire.

1) Pile essai 1

En premier essai j’avais construit une sorte de caisse rectangulaire, un coffrage isolé thermiquement sur les côtés chauffé à l’intérieur par des lentilles de Fresnel. Les rayons étaient focalisés à l’intérieur sur des collecteurs de chaleur en aluminium peints en noir (peinture de cheminée résistante à 1000°C) et isolés entre eux par du plâtre.

Ces collecteurs étaient en contact avec les modules peltiers, et les modules étaient en contact avec des sections carrées en aluminium également à l’arrière du coffre servant de dissipateurs thermiques, bref de radiateurs. Cette pile comprenait 20 modules peltiers branchés de la façon suivante: 10 en série fois 2 puis les 2 séries de 10 modules en parallèle. Sur un collecteur on avait 2 modules disposés l’un au-dessus de l’autre.

Au final après un essai en octobre par temps ensoleillé normand cette première pile a été capable de délivrer une tension de 4.5 volts de façon régulière pendant environ 20 minutes, pour une puissance très faible (on comptait environ 0.5 watts, c’est pas avec ça qu’on pouvait alimenter en jus le dernier concert de Jean Michel Jarre). Ensuite j’avais essayé de limiter les pertes thermiques en noyant les collecteur dans de la résine époxy (l’idée était de laisser passer les rayons lumineux jusqu’aux collecteurs, mais bloquer la chaleur sortante), mais les lentilles de fresnel ont trop focalisé les rayons (j’aurai dû rapprocher légèrement les lentilles des collecteurs) et du coup ça a tout cramé… Elle marche beaucoup moins bien maintenant, sauf comme table de chevet (lourde en plus) si on des goûts de chiotte.

2) Pile essai 2

Cette fois pour ce nouveau modèle de pile bricolée j’ai utilisé 6 lentilles de Fresnel, 6 modules peltiers, une section rectangulaire en aluminium de 1 mètre de long, 2 tubes de cuivre de diamètre 18 mm, du CP pour fabriquer le support des lentilles, et un rouleau de tuyau de cuivre. Pour les jonctions j’ai utilisé des serflex et du mastique résistant à la température et l’humidité. Ha oui j’ai aussi utilisé un tuyau de jardin :

 

Pour la fabriquer c’est tout con, sur la section en aluminium j’ai collé les modules peltiers (sur les coins seulement pour ne pas couper le transfert de chaleur), et sur les modules j’ai collé des morceaux de cuivre peints en noir pour bien absorber la lumière focalisée par les lentilles (peinture de cheminée). Ensuite dans la section alu j’ai glissé les 2 tubes de cuivre, puis j’ai bouché les 2 trou de la section avec du mastique en laissant dépasser les tubes de cuivre. Ensuite j’ai bricolé les supports des lentilles en bois en veillant bien à avoir une focalisation pas trop concentrée sur le cuivre peint (sinon ça fait cramer la peinture).

Ensuite j’ai bricolé 2 radiateurs avec le rouleau de tuyau de cuivre. Chaque radiateur est relié à une entrée et une sortie d’un tube de cuivre dans la section alu.

Le fonctionnement est simple: la lentille focalise les rayons solaires sur le cuivre peint qui chauffe, chauffant le module également. Le module peltier est refroidit par la section rectangulaire en aluminium remplie d’eau qui contient les tubes de cuivres reliés aux radiateurs, eux aussi remplis d’eau. En fait la section alu sert d’échangeur thermique entre les modules et les radiateurs.

Résultats:

Cette pile a été testée entre 11h et 13h le 22 août. Comme le circuit des radiateurs n’était pas parfaitement étanche j’ai ajouté 3 bouteilles d’eau pendant ces 2 heures dans les radiateurs. J’ai utilisé de l’eau du robinet à 17°C environ.

11h10: 7.7 volts/plus de 200mA

11h20: 7.8 volts/plus de 200mA

11h30: 7.4 volts/plus de 200mA

11h40 (premier ajout d’eau): 7.8 volts/plus de 200mA

11h50: 7.9 volts/plus de 200mA

12h00: 7.7 volts/plus de 200mA

12h10: 7.4 volts/250 mA

12h20 (second ajout d’eau): 8.1 volts/300mA

12h30: 8 volts/280 mA

12h40: 7.7 volts/270 mA

12h50: 7.7 volts/260 mA

Donc cette pile fournit entre 1.85 et 2.4 watts de puissance. Lors des mesures il a fallu réorienter la pile légèrement toute les 10 minutes pour bien être aligné avec le soleil. Quel est son rendement du coup ?

Dans le bouquin « les indispensables astronomiques et mathématiques pour tous  » (A. Moatti), l’auteur nous dit que le flux thermique solaire que l’on capte au sol est en moyenne de 490 watts par m2. Cette valeur varie selon la position du soleil par rapport à notre zénith, l’albédo, la couverture nuageuse… Bref on va se contenter de ce chiffre pour simplifier. Les lentilles que j’ai utilisé ont une dimension chacune de 24.5/17 cm donc en surface 416.5 cm2. Comme j’en ai utilisé 6 ça fait donc 2499 cm2 soit 0.25 m2 environ. Du coup notre pile récupère du soleil à peu prêt 122.5 watts. Donc son rendement est situé environ entre 1.5 et 1.9 %. Il faudra refaire un essai en hiver cette fois pour comparer, après avoir amélioré l’étanchéité des radiateurs. On peut surement encore gratter un peu de rendement.

Partie 3: pile thermique à combustible.

Comme on l’a vu dans l’intro, la mer peut peut-être faire un excellent thermostat pour une pile thermique (donc faire très efficacement circuler la chaleur), du coup actuellement je suis en train de bricoler une pile immergeable qui fonctionnerait avec la combustion de l’huile (friture, colza, olive… Bref de l’huile). Des ou une grosse lampe à huile chaufferait du cuivre qui à son tour chaufferai des modules. La partie froide serait simplement une plaque de cuivre en contact direct avec la mer. Voici un petit schéma du projet:

 

Pour le moment j’en suis juste à la bidouille de la partie chaude mais ça présente plusieurs problèmes:

– Pour la combustion de l’huile il faut de l’oxygène, or si la partie chaude est immergée, ça risque d’être compliqué d’amener un volume d’oxygène suffisant aux lampes à huile pour obtenir une chaleur efficace et suffisante.

– Si la pile est immergée, alors elle ne doit pas avoir un volume trop important pour ne pas avoir à trop la lester (principe d’Archimède) pour la maintenir sous l’eau.

– Si la pile n’est pas immergée mais flotte sur l’eau, alors il va falloir vraiment bien isoler la partie chaude qui fait le lien entre les lampes à huile et les modules car les pertes thermiques sont très rapides.

– Il va falloir moduler la partie chaude: soit en trouvant le compromis chaleur stabilisée/distance des lampes à huile idéal pour ne pas cramer les modules, ou alors fabriquer un thermostat (voir schéma) pour limiter la température de chauffage des modules (dans le cas du schéma à 100°C donc).

– Bien chauffé, le cuivre se dilate et se déforme un peu ce qui peut endommager les modules si ils sont en prise directe dessus.

Voilà des petites photos pour montrer où j’en suis actuellement:

La boîte contient 9 pots blédina (parfum pomme/mangue, mes préférés) faisant office de lampes à huiles. Cette boîte s’insère dans un couvercle en bois et en cuivre avec 8 trous de 1 cm de diamètre pour laisser passer de l’oxygène pour la combustion. C’est insuffisant car après quelques secondes seul une des neuf lampes reste allumée (la centrale); si je laisse juste cette lampe au bout de 5 minutes elle chauffe la plaque de cuivre à 50 °C environ.

Bon à bientôt pour la partie 4 je vais essayer de pas mettre 2 ans pour la faire cette fois !