Thermoélectricité : de la calibration absolue aux capteurs autonomes

Thermoelectricity : from absolute calibration to autonomous sensors

• Auteur / Autrice : Isaac Haik Dunn
• Direction : Antoine Maignan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Caen ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Kamran Behnia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Maignan, Stéphane Pailhès, Olivier Bourgeois, Ramzy Daou, Sylvie Hebert, Mohamed Fall
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Pailhès, Olivier Bourgeois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anisotropie

Mesure

Éléments finis, Méthode des

Thermoélectricité

Mots clés libres

Calibration absolue

Capteur autonome

Thermoelectricity

Absolute calibration,

Autonomous sensor

Finite elements

Metrology, anisotropy

Thomson effect

Résumé

Dans le domaine industriel, la thèse présente l'étude, la conception et l'implémentation d'un dispositif autonome en énergie fonctionnant avec des générateurs thermoélectriques (TEGs), qui alimente des capteurs qui effectuent des mesures de température et d'humidité relative qu'il envoie à un hôte passerelle. Ce dispositif fonctionne grâce à la chaleur causée par la différence de température entre la surface du sol et une certaine profondeur souterraine. Il est question de déterminer la longueur optimale des tiges thermoconductrices qui permettent le passage de la chaleur à travers les TEGs, leur forme, leur nombre, le choix du matériau les constituant, le choix du type, du nombre et de l'arrangement thermique et électrique des TEGs. Ces TEGs alimentent une carte électronique qui possède une partie gestion de puissance, dont les caractéristiques ont été choisies pour que le dispositif puisse fonctionner en permanence. Un prototype a été fabriqué, puis implémenté dans un sol terreux en France et a fonctionné environ 80% du temps durant plus d'un mois, à partir du mois de mai 2019. Des pistes d'améliorations sont évoquées pour l'aboutissement d'une version commerciale.Dans le domaine de la métrologie en thermoélectricité, la thèse présente la description d'une nouvelle méthode de mesure de l'effet Thomson, adaptée pour des échantillons filaires métalliques. Elle est distincte des méthodes préexistantes, non seulement par le fait que l'échantillon n'est pas perturbé par une mesure de température avec un thermomètre qui ferait contact, mais aussi par sa simplicité et sa rapidité. Seule la mesure de la résistance électrique de l'échantillon doit être effectuée préalablement, et elle s'apparente à la méthode 3ω avec pour différence l'ajout d'un gradient thermique le long de l'échantillon. La méthode a été vérifiée de manière numérique, ainsi que par comparaison avec une mesure du coefficient de Seebeck de manière classique. Nous montrons qu'elle peut s'étendre à des températures à plus de 1000 K car les résultats sont peu affectés par les effets du rayonnement. Cette nouvelle méthode de mesure peut servir pour établir une calibration avec les matériaux à disposition, en permettant l'obtention du coefficient de Seebeck de manière absolue.La thèse comporte aussi une étude de faisabilité d'une nouvelle méthode de mesure des propriétés de transport composant le facteur de mérite thermoélectrique, pour les matériaux anisotropes. La méthode est une sorte d'extension de la méthode présentée pour mesurer l'effet Thomson. Cependant, pour les matériaux anisotropes, elle se heurte aux problèmes de l'élaboration de bons contacts électriques avec des échantillons minces monocristallins, et à la mesure précise de l'emissivité de ces petits échantillons, entre autres. Elle a toutefois permis l'obtention du tenseur de résistivité électrique pour un échantillon de Au0.1TiS2 où l'or est un intercalant dans la structure cristallographique du TiS2.

This thesis studies the conception and implementation of an autonomous device powered by thermoelectric generators (TEGs). The device contains sensors that measure the temperature and relative humidity, which it then sends to a remote gateway. The device is powered by the energy recovered from the temperature difference between the surface of the soil and an underground depth. The thesis deals with the determination of the optimal length of the thermoconductor rods, their number, their shape and the choice of the material of which they are made. The choice of the TEGs, their number and their thermal and electrical arrangement is also considered. These TEGs power an electronic power management board designed to ensure continuous operation. A prototype was built and tested in the ground. The device worked 80% over a period of more than a month starting from May 2019, in France. Improvements have been proposed to yield a commercial version. This thesis also touches on the metrology of thermoelectricity. It provides a new method to measure the Thomson effect, well adapted to wire-shaped metallic samples. The method is distinct from any pre-existing ones, not only because it leaves the sample undisturbed (no physical contact is made with any thermometer), but also because it is quick and simple to perform. The only prerequisite is knowledge of the resistance of the sample. Then, a temperature-controllable environment in which a vacuum can be established, as well as a lockin amplifier are enough to perform the experiment described by the method. The method is similar to the 3ω method although it differs in the addition of a thermal gradient. The result enables the absolute Seebeck coefficient to be obtained, thereby providing a way to establish a local calibration instead of relying on tabulated data. We show that the method would require little correction even at temperatures as high as 1000 K. The thesis also considers whether this method can be extended to three-dimensional anisotropic materials. A feasibility study considers whether the transport properties that enter the thermoelectric figure of merit can be extracted by this new technique. However, the method faces problems such as the making of good electrical contacts, of the measurement of the emissivity of the small samples and on the fact that the result is highly sensitive to the position and to the shape of the contacts and of the sample, which need to be known with great accuracy in order to reach a reasonable accuracy in the results. Some preliminary results and planned future refinements are presented.