Article

Catégorie : Soutenances de thèse et de HDR

Jeudi 3 octobre 2019 : Soutenance de thèse de Soufiane EL OUALID : Contribution à la modélisation et à la caractérisation de générateurs thermoélectriques

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