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Soufiane EL OUALID Doctorant au sein de l'équipe "Matériaux à propriétés thermoélectriques" de l'Institut Jean Lamour, soutient sa thèse intitulée :
" Contribution à la modélisation et à la caractérisation de générateurs thermoélectriques"
Date et lieu :
Jeudi 3 octobre 2019 à 10h00
Campus Artem, Nancy
Amphithéâtre 200
Composition du jury :
Directeur de thèse :
- Bertrand Lenoir
Professeur, Institut Jean Lamour, Nancy
Co-directeur de thèse :
- Francis Kosior
Ingénieur de Recherche, Institut Jean Lamour, Nancy
Examinateurs :
- Nicole Fréty
Professeure, Institut Charles Gerhardt, Montpellier
- Daniel Champier
Maître de conférence, Laboratoire des Sciences pour l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique, Pau
Rapporteurs :
- Eric Alleno
Chargé de Recherche, Institut de Chimie et des Matériaux Paris Est, Paris
- Daniel Bourgault
Directeur de recherche, Institut Néel, Grenoble
Invités :
- Anne Dauscher
Chargée de Recherche, Institut Jean Lamour, Nancy
- Janina Paris
Ingénieur, MAHLE Thermoelektronik GmbH, Duisburg
Résumé :
L'internet des objets (Internet of Thing, IoT) suscite de plus en plus d'attention dans l'industrie électronique. L'IoT est un concept selonlequel les objets de tous les jours pourront communiquer ensemble via Internet.La plupart des objets connectés utilisent desbatteries qu’il fautchanger régulièrement ou recharger. Face à la forte croissance annoncée, la recherche de sources d’alimentation autonomes et alternatives s’appuyant sur des systèmes qui capturent l’énergie ambiante et la convertissent enélectricité devient primordiale.Parmi les technologies de récupération d’énergie, la thermoélectricitéprésente des avantages certains liés àsa simplicité, sa fiabilité et son absence de pièces mobiles et de pollution par émission de gaz àeffet de serre. L’ensemble de ces caractéristiques favorables place les convertisseurs thermoélectriques comme des candidats possibles pour fournir aux objets connectés de demain les faibles quantités d’énergie nécessaire àleur fonctionnement ou pour recharger les batteries.Mes travauxde thèse s’inscriventdans ce contexte et se sontdéroulésen partie dans le cadre duprojet Européen EnSO(Energy for Smart Objects). Des études numériques menées avec le logiciel commercial Comsol Multiphysics ont été réaliséessur des micro-générateurs planaires innovants développés par la société Mahle, partenaire du projet. L’objectif deces travaux était decomprendre l’influence denombreux paramètres (géométrie, conditions aux limites en terme de température ou de flux, propriétés électrique et thermique des matériaux actifs) sur leursperformances thermoélectriques (puissance électrique et rendement). Nous avons montré,en particulier,le rôle critique des résistances de contact électriques et thermiques sur la puissance électrique de sortie. Un second volet, plus expérimental, a été consacré au développement de générateurs thermoélectriques miniatures à forte densité de puissance intégrant des matériaux avancés à base de skutterudites. Plusieurs brasures ont été testées lors de l’assemblage des modules thermoélectriques. La caractérisation des performances des modules (25-500°C) couplée aux calculs numériques ont permis de guider les recherches et d’optimiser les procédés de fabrication. Ce travail a abouti à l’obtention d’une densité de puissance record (3,3 W/cm2pour une différence de température de 450K)par rapport à l’état de l’art.
Mots clés : Thermoélectricité, micro-générateurs thermoélectriques, skutterudite, modélisation numérique
Abstract:
The Internet of Thing (IoT) is currently being intensively explored in the electronic industry. IoT is an extension of Internet connectivity into physical end everyday-life objects which will be able to communicate and interact with each other’s. Most of these connected objects are powered by batteries that need to be regularly switched or recharged. Faced with a strong announced growth of their number in coming years, the search for novel alternative, autonomous power supplies that convert surrounding available energy into electricity becomes essential. Among energy harvesting technologies, thermoelectricity is advantageous due to its simplicity, reliability, the absence of moving parts and greenhouse gas emissions. All these favorable characteristics make thermoelectric converters possible candidates for powering or recharging batteries of connected objects. In this context, my PhD work was done within the frame of the European project EnSO («Energy for Smart Objects»). Numerical studies with the software ComsolMultiphysics were performed on innovative planar micro-generators developed by the Mahle company, one of the partners of this project. The main objective of this work was to achieve a better understanding of the influence of numerous parameters (geometry,boundary conditions in terms of temperature andflux, electrical and thermal properties of the active materials) on their thermoelectric performances (output power and efficiency). In particular, we have underlined the critical role played by the electrical and thermal contact resistances on the output power. A second part of this study has been devoted to the experimental development of miniaturized thermoelectric generators capable of delivering high output power density through the integration ofskutterudite materials. Several brazes have been tested duringthe assembly operations of the thermoelectric modules. The characterization of the module performances (25-500°C) combined with numerical calculations have been used as a guidance for optimizing the fabrication process. This work culminated in the successful fabrication of a thermoelectric module with a record-breaking power density of 3,3 W/cm2 achieved under a temperature difference of 450 K.
Keywords: Thermoelectricity,thermoelectric micro-generators, skutterudite, numerical modeling