un module peltier
Parmi la grande diversité de composants électroniques qui existent, certains combinent plusieurs domaines de la science :

  • électro-chimique : comme l’électrolyseur (l’électricité produit la réaction chimique) ou la pile (la chimie produit l’électricité) ;
  • photo-électrique, telle que la LED (l’électricité produit la lumière) ou la cellule photoélectrique (la lumière produit l’électricité).
  • électro-mécanique, comme le moteur (l’électricité produit un travail mécanique) et l’alternateur (une action mécanique produit l’électricité).

Dans ces trois cas, les deux exemples données sont réciproques à chaque fois.

Il y a plein de composants reliant plusieurs domaines, mais celui qui nous intéresse dans cet article est celui qui combine l’électricité et la thermodynamique, c’est à dire l’étude de la chaleur et des transferts thermiques.
On connaît l’appareil où c’est l’électricité qui est transformée en chaleur : c’est une résistance chauffante. Mais connaissez-vous un système thermoélectrique qui fait l'inverse et qui soit réversible, et donc capable de produire un courant électrique à partir de chaleur ? Pas sûr…

Pourtant ce composant existe : on l’appelle le thermocouple.

Le thermocouple

Ce composant est fait de métaux différents soudés entre eux, par exemple le chromel avec le constantan (deux alliages métalliques). Les deux fils sont soudés et il y a donc une zone où les deux se rejoignent.

Il se trouve que si l’on échauffe cette jonction, il apparaît une tension électrique au bout des fils, et donc un potentiel à produire de l’électricité :

schéma d’un thermocouple
Schéma (simplifié) d’un thermocouple (source)

On utilise ces composants comme thermomètre : selon la température de la jonction, une tension bien précise apparaît et on peut déduire l’une de l’autre. Cet effet thermoélectrique est appelé effet Seebeck, du nom de la personne qui l’a étudié en 1821.

De façon notable, le thermocouple peut fonctionner dans l’autre sens : quand on le met sous tension, la jonction se met à chauffer alors que les autres points d’attache du thermocouple refroidissent ! Cet effet inverse est appelé effet Peltier (1834).

Maintenant, si l’on construit un fil avec une grande quantité de sections soudées entre elles, on aura une alternance de jonctions chaudes et de jonctions froides :

i
Ceci peut devenir très intéressant, puisqu’il suffit de faire ceci :

i
… et l’on obtient alors un module qui, une fois sous tension, peut produire un côté chaud et un côté froid !
Mieux, on peut aussi choisir de faire fonctionner dans l’autre mode : en chauffant un côté et en refroidissant l’autre, on obtient un module qui produit un courant relativement conséquent !

Ce module là, c’est un module Peltier !

Bien-sûr, j’ai oublié de dire que les tensions produites par effet Peltier ou la différence de température obtenue par effet Seebeck sont relativement faibles : de l’ordre de quelques volts de tension obtenues pour une centaine de degré de différence appliquées en température.

Les modules Peltier actuels sont optimisés avec des métaux très particuliers : les semi-conducteurs.

Voyons tout ça.

Le module Peltier à semi-conducteurs

Un module Peltier se caractéristique par la différence de température qu’il peut maintenir entre ses faces. Si cette différence est de 30 °C, alors si une face est maintenue à température ambiante de 20 °C grâce à un système de refroidissement, alors l’autre face peut descendre à −10 °C.
On utilise ces modules dans les petites glacières de camping, là où un système pompe/compresseur typique des réfrigérateurs conventionnels est bien trop gros et gourmand en énergie.

Aujourd’hui, les modules Peltier comportent un très grand nombre de jonctions de deux types de semi-conducteurs — N et P —, placés en sandwich entre deux plaques de céramique (voir la photo d'en-tête). Le composant obtenue présente donc deux faces : l’une qui va devenir froide et l’autre qui sera chaude. On peut ensuite exploiter la chaleur et la froideur de ces deux plaques.

Pour aller plus loin dans la compréhension de cet effet, il faut revoir brièvement ce que sont des semi-conducteurs, et plus précisément à quoi correspondent les types-P et type-N.

Semi-conducteurs P et N

Ce qui suit est une introduction aux semi-conducteurs. Pour un article plus complet, voyez mon article : « c’est quoi un semi-conducteur ? ».

Un semi-conducteur se place entre les isolants et les conducteurs sur l’échelle de conduction électrique. Contrairement aux conducteurs, tels que les métaux, ils n’ont pas d’électrons libres. Mais contrairement aux isolants, il suffit d’appliquer une tension relativement faible pour que des électrons deviennent libre et se mettent à conduire le courant.

Pour contrôler de façon précise le seuil de conduction, on lui incorpore des éléments chimiques. On parle de « dopage » du semi-conducteur.

Avec du phosphore, le semi-conducteur qu’est le silicium possède maintenant un électron libre en plus par rapport au silicium pur.
Avec du bore on se retrouve à l’inverse avec un électron en moins à un endroit que l’on appelle « trou ». L’application d’une tension va alors pousser un électron à remplir ce trou, laissant un autre trou derrière lui. Ce trou est ensuite comblé par un autre électron et ainsi de suite. De cette façon, c’est alors comme si le trou se déplaçait, et dans le sens inverse des électrons.

Dans les deux cas, on dit que l’électron du phosphore (négatif : N) et le trou (absence de négativité de l’électron, donc positif : P) du bore sont les porteurs de charges. N et P sont les deux types de semi-conducteurs :

i
Dopages N (avec l’électron en trop) et P (avec le déficit d’électron) — (sources 1 & 2)

Dans un module Peltier à semi-conducteur, pour les deux-métaux nécessaires à l’effet Seebeck, on utilise deux semi-conducteurs : un semi-conducteur P et un semi-conducteur N.

Le fonctionnement du module Peltier

Un module Peltier est donc un assemblage de plein de morceaux de semi-conducteur P et N. Électriquement, ces élément de semi-conducteurs sont placés en série. Thermiquement, ils sont mis en parallèles.
L’arrangement géométrique fait que toutes les jonctions PN sont d’un côté et toutes les jonctions NP sont de l’autre.

Quand on fait circuler un courant dans le module, les trous du P sont tirés vers la borne − et les électrons du N sont poussés vers la borne +. Ils quittent donc tous les deux une jonction et se dirigent vers l’autre côté du module.
Arrivés de l’autre côté, le trou se recombine avec un électron et l’électron avec un autre trou. Ces recombinaisons sont exothermiques : ils libèrent de la chaleur.

Sur l’autre côté (le froid), la tension appliquée va forcer certains électrons à sortir de leur trou : on obtient alors un électron libre et un trou (qui vont alors migrer, etc.). Cette création de paires électrons-trous est endothermique : elle requiert de la chaleur, qu’elle va puiser dans le module et va donc le refroidir.

Pour résumer, à cause de l’arrangement des liaisons NP et PN, ainsi que de la nature des semi-conducteurs N et P, l’application d’un courant va produire des paires électrons-trous d’un côté et va le refroidir (l’énergie thermique est convertie en énergie potentielle électrique), et recombiner les électrons libres et les trous de l’autre, et ainsi libérer de la chaleur et donc chauffer ce côté (l’énergie potentielle électrique est reconvertie en énergie thermique) :

Animation du module Peltier sous tension.
Ici, le module est alimenté. Les électrons produits à gauche sont poussés en haut du module, où ils vont faire remonter les trous de la partie droite. Leur recombination, en haut, va libérer de la chaleur. La production de trous (sur la partie droite) va absorber de la chaleur et donc produire du froid. (animation)

Quand le module est utilisé en générateur, c’est le contraire : on chauffe un côté, on refroidit l’autre, et on observe l’apparition d’une tension au bornes du module. Le fonctionnement est inverse, mais au niveau moléculaire c’est toujours la même chose.

Le côté que l’on chauffe possède maintenant suffisamment d’énergie pour que certains électrons sortent de leur trous : on crée donc des électrons libres et des trous, les deux étant des porteurs de charges. Ce côté, où l’on forme des porteurs de charges, devient une zone de fort potentiel électrique.
Le côté froid, maintenant, voit sa chaleur (son énergie) baisser : les électrons libres sont forcés à regagner leur trou. On réduit donc la quantité de charges mobiles (électrons libres et trous) : la face froide voir donc son potentiel électrique baisser.

Un côté du mobile est donc fortement chargée, l’autre très faiblement : vous savez donc ce qui se passe : les électrons et les trous en surnombre d’un côté vont migrer de l’autre côté pour s’équilibrer. Cette migration constitue un courant électrique.

Des paires électrons-trous continueront d’être formés d’un côté et recombinés d’un côté tant qu’on appliquera une différence de température entre les faces et le courant circulera dans tout le module pendant ce temps :

Animation d’un module Peltier en mode générateur.
Ici, la face du haut est chauffée. On y forme de électrons libres (à gauche) et des trous (positifs, à droite) qui vont être poussés dans le circuit, formant un courant électrique. (animation)

Pour être encore plus précis : que ce soit en mode générateur de courant ou générateur de chaud/froid, la face qui forme les paires électrons-trous voit sont entropie augmenter. En effet, on passe de une particule (un électron dans son trou) à deux porteurs de charges (un électrons d’un côté et un trou mobile de l’autre). On augmente donc le nombre d’éléments ! Or cette entropie ne sort pas de nulle part : elle s’accompagne d’une baisse de température.

Sur l’autre face, c’est l’inverse : on passe de deux porteurs de charges à un seul électron dans son trou (fixe). On réduit donc l’entropie, ce qui est une réaction exothermique : cette face chauffe.

Bien-sûr, le module dans son ensemble voit son entropie globale augmenter (il ne peut en être autrement).

Il est intéressant de voir que dès que l’on coupe l’alimentation d’un module Peltier, les porteurs de charges cessent de se déplacer, et donc de véhiculer de la chaleur. Les seuls transferts de chaleurs qu’on observe est donc dû à la conductivité thermique et les températures des deux faces du module Peltier se rééquilibrent (et de manière très rapide : une seconde ou deux suffisent, même s’il y avait une différence de température de 30 °C !).

Utilisations

Le module Peltier, surtout utilisé pour produire du froid, a beaucoup d’avantages par rapport à un système que l’on trouve dans un réfrigérateur : aucune partie mobile, pas de bruit, grande précision, faible consommation électrique… Ils sont par contre moins puissants. Dans la vie courante, leur application se limite donc à de petites productions de froid : frigo USB, ou réfrigérateur de voyage, par exemple.

Dans les autres domaines (recherche, par exemple), on les retrouve dans les montages où la production de froid (ou de chaud) doit être très précise : en effet, en régulant la tension appliquée au module, on régule aussi le taux de transfert de chaleur, et donc les températures à obtenir.
Pour obtenir des différences de température importantes, on fait des empilements de modules Peltier. Il est ainsi possible d’obtenir des températures très basses, du moment que l'on évacue la chaleur correctement.

Dans l’espace, on utilise les modules Peltier dans l’autre sens : comme producteur de courant à partir d’une source de chaleur. Dans le froid sidéral, il suffit d’une petite source de chaleur et d’un module Peltier pour obtenir des courants exploitables. Les sondes spatiales Voyager 1 et 2, la sonde Cassini, ou encore la sonde New Horizons embarquent ainsi un générateur thermoélectrique à radio-isotopes : une source radioactive (du plutonium qui émet spontanément de la chaleur durant des décennies. Ce bloc est entouré de modules Peltier qui produisent tout le courant nécessaire au fonctionnement de la sonde.
Ce système est utilisé quand les sondes sont emmenés à voyager trop loin du Soleil pour permettre l’usage de panneaux solaires.

image d’en-tête de Adafruit Industries

43 commentaires

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AdnX écrit :

Very interesting! Thx

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Lokoyote écrit :

Un article d'été qui arrive à point !
J'allais justement regarder comment fonctionne ces glacières réfrigérées !
Le thermocouple est très utilisé notamment dans certains domaines pour avoir un thermomètre relativement précis et peu cher, mais je n'avais jamais pensé à tout le reste possible !

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seb écrit :

"de l’ordre de quelques volts de tension obtenues pour une centaine de degré de différence appliquées en température" ça représente quoi en gros en ordre de grandeur, plutôt à peine 5v ou quelques dizaines de volts?
Est ce que ça pourrait être suffisant pour alimenter un ventilateur d'ordinateur par exemple? On pourrait imaginer une plaque à effet Peltier entre le processeur et le ventirad en alimentant le ventilateur via cette plaque.
J'avais lu il y a quelques années que des constructeurs de voitures travaillaient sur des systèmes similaires pour récupérer la chaleur de l'échappement afin d'alimenter la voiture ou recharger les batteries. Je n'ai jamais entendu dire que ça avait été mis en production.

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Le Hollandais Volant écrit :

@seb :

"de l’ordre de quelques volts de tension obtenues pour une centaine de degré de différence appliquées en température" ça représente quoi en gros en ordre de grandeur, plutôt à peine 5v ou quelques dizaines de volts?

Quand on dit (en science) « de l’ordre de grandeur » c’est autour de la puissance de 10 concernée.

Wiki dit :

L'ordre de grandeur d'une valeur est sa plus proche puissance de 10.

– de l’ordre du volt  = entre 0,5 et 5 volts
– de l’ordre de la dizaine de volts  = entre 5 et 50 volts
– de l’ordre du million de volts = entre 500 000 et 5 000 000 V.

Ok, passer de 5 à 50 volts, c’est passer de du simple au décuple, mais en soi ça reste comparable : on reste proche de la même « puissance de 10 ».

Aussi, je pense que dire « de l’ordre de 40 volts » n’a pas de sens : « 40 » c’est peut-être plus précis que « entre 5 et 50 », mais ce n’est pas tellement un ordre de grandeur. C’est plus une approximation, et j’aurais donc tendance à dire « autour de 40 volts ».

En l’occurrence, et par expérience personnelle (qui n’a rien d’universel), j’étais plutôt autour de 3 V pour des mesures jusqu’à 400 °C.
Il faut voir après que cette tension suffirait à allumer une petite LED, mais le courant est très faible : la puissance globale est donc très basse.

Mais ça c’est pour les thermocouples.

Car concernant les modules peltier, c’est une autre histoire : on obtient beaucoup plus de puissance !

Il existe des générateurs électriques qui fonctionnent avec des modules Peltier. Certaines sondes spatiales utilisent ça : la source de chaleur est alors une source radioactive et la source froide est l’espace intersidéral.
De manière générale, un module peltier qui produit une différence de 30 °C quand on lui impose une tension de 12 V, produira autour de 12 V quand on lui impose une différence de température de 30 °C.

Est ce que ça pourrait être suffisant pour alimenter un ventilateur d'ordinateur par exemple? On pourrait imaginer une plaque à effet Peltier entre le processeur et le ventirad en alimentant le ventilateur via cette plaque.

Parfaitement ! Et ça existe !

L’avantage est que si le CPU chauffe un peu plus, la tension produite augmente et le ventilateur (branché sur le module peltier) se mettra automatiquement à tourner plus vite ! C’est donc à la fois auto-asservi et parfaitement économe en énergie : une partie de la chaleur produite est utilisée pour l’évacuation de cette chaleur. Dans les voitures, ça serait possible, mais je n’en ai pas entendu parler.

Un système similaire est d’utiliser un moteur de Stirling : c’est un moteur thermique, pareil avec deux plaques : si il y a une différence de température entre les deux plaques, alors il se met à tourner. Si on lui couple une hélice, ça devient un ventilateur. Idem, ici : plus la différence de température est grande, plus le moteur de Stirling tourne vite.

Acer avait produit des PC, il me semble, où le ventilateur fonctionnait comme ça. Là aussi, je crois que des moteurs de Stirling de régénération existent dans certaines voitures.

Le moteur de Stirling

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Duke écrit :

Hello Timo,

Très intéressant :)
Une petite remarque : "en réalité ils véhiculent de l’entropie, mais en pratique ça se traduit par un transfert d’énergie sous forme de chaleur"

Perso, je dirais qu'en réalité les semi-conducteurs véhiculent de la chaleur, qui est une grandeur observable. Contrairement à l'entropie qui est une fonction d'état dépendante de grandeurs macroscopiques (température, pression, volume principalement). J'ai bon ?

L'entropie traduit l'état de connaissance ou plutôt de méconnaissance que l'on a d'un système thermodynamique mais elle ne se mesure pas, elle se calcule à partir de grandeurs mesurées.

Si l'entropie est bien une grandeur physique, elle dépend de notre connaissance du système.
https://www.francois-roddier.fr/?p=360

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Lucien écrit :

Je vous soupçonne de vouloir concurrencer Science et vie, Science et avenir etc...:):) En tout cas, vos articles sont très intéressants! Bravo!

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Camcm écrit :

Bonjour,

Je souhaite réalisé une sorte de frigo de taille réduite (volume 2L), je réfléchissais à utiliser cet effet.
Pour un tel volume bien isolé, pensez vous qu'un module de ce genre puisse en s'allumant 5min toutes les heures garder l'espace à une T°C<10° ?

Merci beaucoup,

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Le Hollandais Volant écrit :

@Camcm : salut!
Il faudrait voir l'isolation de l'intérieur du frigo, et la puissance du module.

Il faut en fait que le module extrait plus de calories en 5 minutes que l'isolation imparfaite du frigo laissé passer à l'intérieur.

Honnêtement, 5 minutes par heure me semble un peu faible, même si ka température de 10 degrés n'est pas excessivement froide.

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Jiscar Destin écrit :
Dans la vie courante, leur application se limite donc à de petites productions de froid : frigo USB, ou réfrigérateur de voyage, par exemple.

Ou les tireuses à bière 🍺 😉

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Michelore écrit :

Pourrait-on envisager de fabriquer un climatiseur d'appoint ou, plus ambitieux, une petite centrale qui pourrait diffuser un air un peu plus frais dans plusieurs pièces.

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Le Hollandais Volant écrit :

@Michelore : Avec un module Peltier ? non, pas vraiment.

Typiquement, un module comme ça consomme 60 W (12 V / 5 A). Même en considérant qu’il produit 60 W de froid, ça fait toujours rien comparé à une vraie clim, qui produit environ 2 000 ~ 4 000 W de froid.

Il serait à peu près aussi efficace de climatiser une maison avec un module Peltier que de chauffer sa maison avec une ampoule 60 W. Sans compter le fait que le module Peltier produit du froid d’un côté, mais surtout du chaud de l’autre, et cette chaleur il faut l’évacuer (ce qui va demander un ventilateur aussi).

À mois d’avoir tout un tas de modules Peltier reliés à un gros panneau solaire, la production de froid restera trop faible par rapport à la chaleur que ta maison reçoit du Soleil.

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Axel écrit :

Salut! Moi Je Souhaite realiser une petite sorte de frigo de faible capaciter relativement 0,5L ou 1L comme xa! je pense utiliser un tel effet! pour un tel volume, penser vous qu' un tel module peux m'aider aider a la realiser et la maintenir en marcher pour 5 a 10min comme xa???

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Le Hollandais Volant écrit :

@Axel : Salut,

Oui, c’est possible !
Tu peux la maintenir en marche autant de temps que tu veux, mais notes juste que ça sera très inefficient.

À mon avis, tu devrais prendre 1 ou 2 modules Peltier, et un générateur 5 A / 12 V (la puissance de quasiment tous les modules qu’on trouve en ligne).
Notes juste :

– tu auras besoin d’un compartiment très bien isolé (pour éviter que la chaleur rentre). Du carton ne fonctionnera pas bien. Du métal encore moins. Le mieux serait du polystyrène ou un autre isolant thermique.
– de l’autre côté, tu auras besoin d’un refroidisseur avec ventilateur, pour évacuer la chaleur de la surface chaude. Un refroidisseur en cuivre, ceux utilisés pour les PC, fonctionneront très bien, ces trucs là : https://amzn.to/2ZlDycn . C’est imposant, mais au moins ça pourra marcher.

Si le tout est bien réalisé (correctement isolé, etc), tu peux descendre jusqu’à −5 °C / −10 °C avec des modules Peltier.

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Hugo Momo écrit :

Bonjour,

Pour les utilisateurs de modules de Peltier, est-ce quelqu'un sait comment fixer la température de sortie du module de Petlier à une valeur fixe. Je souhaite pouvoir contrôler la température de sortie du module. (Ex: monté à 26°C en 5min, maintenir a 26°C pendant 5min puis redescendre à 22°C en 5min)
Merci d'avance pour vos réponses.

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Le Hollandais Volant écrit :

@Hugo Momo : Bonjour,

Il n’y a pas vraiment de « température de sortie », mais plutôt une différence de température entre les deux faces.
Ainsi, si le module est à 40 °C (parce que la température ambiante est 40 °C) et que vous appliquez, admettons, 5 V et 1 A, alors la différence de température sera de 10 °C : une face descendra à 35 et l’autre montera à 45 °C.
La même chose quand il fait seulement 15 °C, et vous obtiendrez une face à 10 et l’autre à 20 °C. La température qu’une face gagne, l’autre la perd (j’ignore l’échauffement du module lui-même).

Si vous voulez vraiment obtenir une température précise, il maintenir une des faces du module à une température fixe, avec une refroidisseur de PC par exemple. Ensuite seulement on pourra contrôler la température de l’autre face en jouant sur la tension et l’intensité.
De façon générale, plus on augmente la tension aux bornes du module, plus la différence de température entre les deux faces augmente.

Dans le cas où vous ne souhaitez obtenir juste une seule température contrôlée, je pense qu’une résistance chauffante est plus adaptée.

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seb Napt écrit :

Bonjour, en phase de projet pour un client je souhaite tempérer de 4 à 5 °C un volume de 8 m3 sans condensât avec un niveau sonore le plus faible possible.
Je pensait fabriquer avec plusieurs modules en parallèle dans un caisson muni un ventilateur, mais après la lecture de vos échanges je m'aperçois qu'il faudrait que j'imagine un prototype par étage avec un ventilateur pour l'extraction de l'air chaud. Si quelqu'un souhaite m'aider sur ce type de projet je serait très intéresser (l'aspect financier n'est pas le but).
Merci d'avance pour vos réponses

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Paulo écrit :

Bonjour Monsieur, je veux concevoir une couveuse d’œufs d'escargot en utilisant les modules à effet peltier pour produire e froid à 20°C. en fait je veux savoir quels sont les avantages de système par rapport a celui du système classique de production de froid? Merci pour votre aide

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Le Hollandais Volant écrit :

@Paulo : J’en vois plusieurs :
– c’est silencieux, sans parties mobiles (pas de ventilateur, etc.)
– si jamais il fait plus froid dehors que dans la couveuse, il suffit de changer les polarités et le module Peltier réchauffe
– le réglage est plus fin : avec un frigo (ou une clim, c’est pareil) l’appareil se met en marche par intermittence : il y a donc des moments où il faut plus froid que d’autres. Avec un module Peltier, on peut le régler pour que la température soit toujours la même

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DV écrit :

Quelle serait la tension et le courant produit par un module Peltier s'il se trouvait en sortie d'un ventilateur qui évacuerait de la chaleur?

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audubos écrit :

bonjour,
intéressante étude; je me pose une question:
partant d'une petite glacière à effet Peltier; si je réinjecte un peu d'air de l'intérieur de la glacière sur la partie chaude du module, je devrais obtenir une température plus basse à l'intérieur ? ou bien je me trompe à cause d'un autre problème...
sachant, bien sûr, si ça marche, qu'il faudra réguler le processus ...
merci !

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Le Hollandais Volant écrit :

@audubos : Salut,

Ce serait possible effectivement, mais il ne faut pas oublier une chose : si tu prends de l'air froid de l'intérieur de la glacière pour refroidir module, cela veut dire qu'il y aura moins d'air froid dans la glacière, et de l'air ambiant chaud devra être utilisé pour compenser cette captation d'air. Au final, ça reviendrait à mettre de l'air chaud dans la glacière. Pas sûr que ça soit productif.

Ce principe est utilisé dans les installations qui produisent de l'azote liquide ou de l'hélium liquide : là cela marche car l'azote gazeux pris pour refroidir la pompe n'est pas compensé par de l'air chaud, mais par de l'azote déjà froid obtenu par ébullition de l'azote liquide. Une partie de l'azote liquide produit sert alors à refroidir la pompe.
Cela peut marcher à condition que la pompe produit davantage d'azote liquide qu'elle n'en utilise elle-même pour se refroidir, sinon ça ne peut pas fonctionner.

Après, tu peux très bien mettre plein de modules empilés : un côté froid d'un module collé sur le côté chaud d'un autre. Comme ça, le premier module refroidit le second, le second refroidit le troisième, etc.
Cela augmentera le pouvoir refroidissant du dernier module, mais va également produire une grande quantité de chaleur sur le module le plus chaud.

Dans ce cas, on a simplement augmenté la puissance de déplacement de chaleur : la chaleur est extraite avec une bien plus grande efficacité.

L'avantage également, c'est que si le module le plus chaud est vraiment chaud, il sera plus facile à refroidir : pour refroidir quelque chose à 100 °C, on peut utiliser de l'eau à 20 °C du robinet. Alors que pour refroidir quelque chose à 0 °C, il faut quelque chose de déjà plus froid, que l'on n'a pas car c'est ce qu'on cherche à obtenir justement.

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udriss écrit :

Bonjour.

Une autre explication de l'effet est envisageable. Lorsque des électrons passent de la région N vers la région P, leur énergie cinétique diminue. Ceci entraîne, par définition de la température, une diminution de la température de la plaque en contact avec les régions N vers P. En effet, par conduction, une quantité d'énergie est transmise de la plaque aux électrons et permet un refroidissement.
Évidemment, la recombinaison peut être exprimée comme une transformation endothermique et mon explication ne contredit pas la votre. Mais ne pouvons nous pas joindre nos deux explications afin de plus expliciter le phénomène ?

D'autre part, le passage de P vers N se fait par augmentation de l'énergie cinétique des électrons. Ceci entraîne un transfert thermique conductif à la plaque en contact avec les régions P vers N.

Toutefois, je ne saisis pas ce qu'est une recombinaison physiquement. Pouvez vous nous éclairez sur ce terme que vous utilisez ?

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Le Hollandais Volant écrit :

@udriss : Une recombinaison électron-trou, c’est tout simplement un électron (libre) qui vient boucher un trou. À ce moment là, à la fois l’électron et le trou cessent d’être des porteurs de charges et cessent de participer au courant électrique.

Lorsque des électrons passent de la région N vers la région P, leur énergie cinétique diminue.

Cela semble logique, mais si l’énergie cinétique baisse, alors l’énergie thermique doit augmenter : cette énergie cinétique, cette vitesse, ne peut pas se volatiliser. L’énergie doit bien aller quelque part.

Alors oui, la température microscopique de l’électron va baisser, mais la chaleur (son énergie) va être transmise à la plaque, qui va donc chauffer. Au contraire d’une réaction endothermique, on assisterait logiquement à une réaction exothermique (pour l’électron).

En effet, par conduction, une quantité d'énergie est transmise de la plaque aux électrons et permet un refroidissement.

Ça c’est juste par contre : si la plaque transmet une partie de son énergie (sa chaleur) à l’électron, alors de la chaleur est convertie en vitesse. Encore faut-il que la baisse de chaleur se traduise par une baisse de température.

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MBOUVROT écrit :

Bonjour ! Ca marche assez bien, c'est assez surprenant, je compte faire mon TIPE sur le module Peltier, on a fait quelques expériences, mais on galère à trouver un domaine d'application qui suive le thème d'enjeux sociétaux car avoir un thermometre de précision pour mesurer la précision du peltier, ça coute un peu cher.
On pensais que les glacières d'organe fonctionnaient grâce à ca mais apparemment ils mettent juste de la glace, des idées ?

PS: J'adore vos articles :)

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Le Hollandais Volant écrit :

@MBOUVROT : bonjour !

Des applications du module Peltier ?
En voici quelques-uns, à vous de voir si ça entre dans votre domaine d’étude (suivre les liens pour davantage de détails) :

- les sondes spatiales, pour la production d’électricité de façon autonome (avec une source chaude au plutonium)

- dans certains ventilateurs pour poêle, qui homogénéisent la température dans un local chauffé, afin de réduire la consommation en chauffage. Ça permet de gagner entre 10 % et 30 % de confort sanc consommer davantage. C’est pas mal dans un contexte de réduction des gaz à effets de serre.

- certaines montres utilisent un module peltier : chauffé par la main, cela suffit pour alimenter une petite montre (voir là)

Sinon, avoir d’application concrète, on peut les utiliser comme surrégénateur, afin d’exploiter l’énergie thermique autrement perdue dans la nature.
En recouvrant un moteur thermique (par exemple de voiture) avec des modules peltier, on peut imaginer récupérer la chaleur sous la forme d’électricité. Dans le cas d’une voiture hybride, ça peut éventuellement être un sujet d’étude.

Dans tous ces exemples, le module est utilisé pour produire de l’électricité à partir d’une source de chaleur.

Dans le fonctionnement inverse, c’est à dire la production de froid ou de chaud, le système est moins performant qu’une pompe à chaleur classique (comme celle utilisée dans un congelateur ou un frigo, une clim) à base de la détente/compression d’un fluide à point d’ébullition bas.
Les modules peltiers sont nettement moins gourmands en courant, moins bruyants, plus facilement contrôlables, mais aussi globalement moins puissants.

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Nickko écrit :

Merci pour cette article au sujet d'un composant rarement mis en avant.

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galex-713 écrit :

c’est ouf, moi qui croyait que toute (à quelques exceptions genre le photovoltaïque, chimique…) production d’électricité nécessitait des aimants (turbines)… ah bah du coup non… ça augmente totalement ma vision des possibles…

T’as appris ça où toi ?

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Le Hollandais Volant écrit :

@galex-713 : L’électricité n’est qu’un déplacement d’électrons d’une zone de fort potentiel électrique vers une zone de faible potentiel. Tout ce qui peut produire cette différence de potentiel est susceptible de produire de l’électricité.

L’effet ce module utilise l’effet thermoélectrique. Tu cites l’effet photoélectrique et électrochimique. Mais y a aussi la piézoélectricité (écrase un cristal et il produit du courant) ou la triboélectricité (frotte des matériaux et ça produit du courant).

La piézoélectricité, ce sont les briques « électroniques » : tu appuies sur un cristal et ça produit l’arc électrique qui met le feu au gaz du briquet.
La triboélectricité, c’est l’électricité statique. Le fonctionnement d’une bobine de Van Der Graaf produit des éclairs de millions de volts comme ça. Le premier appareil à avoir scindé un atome était d’ailleurs un générateur de vdG. L’orage est également issu de la triboélectricité.

La machine de Wimshurst, elle, n’utilise pas d’aimants non plus, pourtant elle produit des éclairs : les électrons sont isolés d’un côté pour charger un condensateur grâce à la répulsion électrique, pas magnétique.

En fait, les aimants sont une seule façon de produire du courant.

Où j’ai appris ça ? Partout et nulle-part. Si je découvre un truc, comme une module Peltier, au détour d’un bricolage ou d’une vidéo ou autre, je regarde d’où ça vient et comment ça marche.

D’ailleurs, j’ai utilisé un module Peltier pour créer un ventilateur qui tourne avec la chaleur de la main.

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Mr s écrit :

Bonjour, des semaines que je fouille internet et je tombe enfin sur ce que je cherche... Et en plus très pointu et très bien expliqué : chapeau!!!
Une petite question (plusieurs en fait):
1. Je vais posé un module Peltier tce1-12715 derrière une cave a vin de 70l. Vous pensez que cela suffira pour le refroidissement?
2. Est ce que si j'installe un ventilateur plus puissant sur le radiateur dissipateur le module va mieux marché ?
3. Et pour finir comment faire pour inverser le module et produire du chauf dans ma cave a vin? Je retourne la plaque Peltier? Cela va beuguer?

Vraiment merci pour votre boulot et surtout merci de répondre à vos lecteurs!!

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Le Hollandais Volant écrit :

@Mr s : bonjour !

1
Un module de 136 watts comme celui que tu proposes me semble pas mal, si la cave n’a besoin que d’un refroidissement à 10-15 °C, ça me semble suffisant en théorie. Au besoin tu peux en mettre deux côte à côte.

2.
Oui : mieux la face chaude (celle qui dissipe la chaleur) est refroidie, mieux il fonctionnera et plus son pouvoir refroidissant sera important.
Un module envoie les calories d’un côté vers l’autre côté. La différence de température entre les deux faces est à peu près constante.
Si un côté est à 10 °C et que son pouvoir réfrigérant permet de maintenir une différence de température de 40 °C, alors sont côté chaud devra rester sous les 50 °C. S’il monte au delà, par exemple à 60 °C alors le côté froid ne descendra qu’à 20 °C (60−40 = 20 °C).
Si un seul module ne suffit pas, installes en un autre à côté.
Si tu arrives à maintenir la face chaude à 40 °C, alors tu pourras descendre à 0 °C sur la face froide, ce qui refroidira la cave bien plus vite. Attention alors à t’assurer d’avoir une bonne homogénéisation de la température dans la cave, pour ne pas avoir de zones trop froides.

3.
À confirmer, mais tu as juste besoin d’inverser la polarité sur le module Peltier, et les faces froides et chaudes deviendront les faces chaudes et froides.
Ceci dit, si la face froide est trop froide, tu n’auras pas beaucoup de chaleur. Il faudra la réchauffer.
Je pense pour la partie chauffe, il est mieux d’utiliser une résistance électrique.

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Mr s écrit :

Ok merci pour le temps pris à répondre de façon précise!

Parce qu'en hiver mon garage fait 4 degrés... Et la cave a vin doit être a une constante de 13degres!
Du coup tu me conseilles plutôt une résistance? Cad? Je l'installe et le trouvé où cela?
J'ai vu une résistance sur Amazon de 300w 330v , marque walfront . Cela peut suffir ?

Zut je pensais que le module allait pouvoir faire le job...

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Le Hollandais Volant écrit :

@Mr s : le truc avec un module Peltier, c'est qu'il ne produit pas de chaleur, il la déplace. Si ta pièce fait 4 degrés, il va avoir du mal à trouver de la chaleur pour l'envoyer dans la cave à vin.

Tu peux essayer, mais ça risque de demander pas mal de puissance.

Une résistance transforme directement l'électricité en chaleur. C'est ce qu'on trouve dans un four électrique ou un sèche cheveux.

300 watt me semble suffisant pour chauffer une enceinte fermée de 70 litres.

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Mr s écrit :

Ok super!
Dernière question et après je ne t'embête plus.. d'autant que ça sort du thème initial sur les modules Peltier.
Je vais donc acheter la résistance de 300w, 220v. Tu penses que je vais consommer de l'électricité de manière astronomique ou pas?
Parce que je vais mettre un thermosta donc ça va pas tourner non stop je pense...

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Le Hollandais Volant écrit :

@Mr s : 300 W c’est pas énorme. En continu durant 24h, ça représente 300×24 = 7,2 kWh, soit environ 1 € d’électricité.

Étant donné que ça ne tournera pas en continu, ni à fond peut-être, alors la conso sera nettement moindre. Je suppose que c’est comparable à ce que consomme un frigo.

Si je peux donner un conseil : si ta cave à vin est vide, alors l’inertie thermique (en chaud comme en froid) sera fiable. Dès que la chauffe s’arrête, la température va redescendre très vide. Donc si la cave est vide, remplace les places vides par des bouteilles d’eau. L’eau emmagasinera du chaud (ou du froid) et la température globale sera nettement plus stable : les variations seront lissées.
Ça fait peut-être pas glamour d’avoir de l’eau dans le vin, mais ça peut aider.

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Alex écrit :

Bonjour cher Hollandais Volant !

Je souhaiterais confectionner pour l'anniversaire de mon père un module Peltier portable, pour qu'il puisse refroidir ses canettes et bouteille de rosé en moins d'1 min (il est (très) peu patient).

Je voulais lui prendre ça, mais il le réalise en 10 min, c'est un peu long. Est-ce que tu penses que je peux réduire le temps en l'isolant moi même tout simplement ?

Je voudrais aussi l'auto alimenter avec la chaleur dégagée par la face du module, faisable ?

merci d'avance pour ton retour ! :)

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Le Hollandais Volant écrit :

@Alex : bonjour !

Alors isoler la canette convenablement va clairement aider, tout comme refroidir le plus possible la partie qui reçoit toute la chaleur ainsi qu’ajouter de la pâte thermique de qualité et d’utiliser un support bien conducteur de chaleur.

Si tu mets une canette directement dans le réceptacle à canette là, ça refroidira lentement. Mais si tu mets de l’eau entre la canette et le réceptacle (donc en contact avec les deux), ça sera déjà bien mieux.

L’autoalimenter, ça ne marchera pas, même avec deux modules, un en refroidisseur et l’autre en générateur.
Parce qu’il y a forcément des pertes (une partie de la chaleur par dans l’air) et sans apport extérieur, tu ne pourras pas lancer le refroidissement, au début quand tout est à la même température.

Une chose qui permet de refroidir une canette très vite, c’est de remuer (doucement) celle-ci. La chaleur est alors évacuée bien plus rapidement.

Si tu mets une canette dans l’eau glacée, alors le liquide en contact avec le bord sera instantanément froid. Mais pas le reste du liquide. Pour ça il faut remuer le liquide, comme ça tout le liquide est peu à peu en contact avec la paroi et donc le froid.

Bien-sûr, si la chaleur est extraite plus vite de la canette, il faudra l’évacuer rapidement aussi.

Le mieux, je pense, c’est encore d’utiliser un seau d’eau glacé et faire tourner la canette dedans. Elle sera froide en 20 secondes (mais c’est pas très geek ^^).

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galex-713 écrit :

c’est quoi qui empêche de concevoir des vêtements en module peltier, genre pour les grands froid genre l’espace ou l’antarctique ?

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Le Hollandais Volant écrit :

@galex-713 : Le principe même d’un vêtement, je suppose : le module produit de l’électricité si une face est froide et l’autre chaude.

Sauf que la chaleur doit « couler » du chaud vers le froid : le module Peltier fonctionne par transfert d’électrons/trous, qui transfèrent également de la chaleur. Si l’on se recouvre de modules Peltier, alors la chaleur va très vite quitter notre corps pour se dissiper dans l’air, et on finira par mourir de froid.

C’est un peu comme avoir un barrage d’eau : le barrage lui-même ne sert à rien. On obtient du courant seulement quand on laisse couler l’eau, et donc qu’on en « perd ». Le maximum de courant sera produit quand il n’y a plus d’eau du tout dans le barrage.

Dans les générateurs thermoélectriques à radioisotopes (typiquement une boule de plutonium entouré de modules), la chaleur est produite continuellement durant des décennies. Si l’on veut que le corps humain fasse pareil, il faudrait manger énormément et faire du sport continuellement, histoire de brûler du sucre et produire de la chaleur afin de produire du courant. Et dans ce cas, si l’on ne meurt pas de froid, on mourra de fatigue.

Il y a beaucoup plus simple si l’on veut utiliser la force musculaire (donc l’énergie contenue dans la nourriture) pour produire du courant : utiliser un poids au bout d’un fil, que l’on enroule autour d’un axe. Cet axe est relié à une dynamo. Quand le poids descend, l’axe tourne comme un gyroscope à fil ou une toupie style « Beyblade » et ça produit du courant.

Ça existe (ou existait visiblement) et remonter une masse de 12,5 kilos suffit à alimenter une ampoule LED durant environ une demi-heure.

C’est ainsi que fonctionnaient les horloges à balancier : tous les soirs on remontait les grosses masses en laiton (~10 kilos) et ils descendaient très lentement tout en entraînant le mécanisme horloger. Les montres mécaniques à ressort fonctionnent aussi comme ça, de même que les réveils mécaniques : c’est de l’énergie musculaire que l’on injecte dedans.

Les lampes torches électrique avec une manivelle et un condensateur (style ça) transforment aussi l’énergie corporelle en électricité, et de façon bien plus efficace qu’un module Peltier.
Le module Peltier peut néanmoins fonctionner de façon passive, comme dans les ventilateurs pour poêle.

Mais il faut bien voir qu’il "aspire" la chaleur du corps, l’envoie dehors, et produit un courant en même temps. Quand on cherche à justement rester chaud et à réduire la déperdition, ce n’est pas l’idéal.

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galex-713 écrit :

Mais olala tu mélanges tout. J’ai parlé de l’antarctique et de l’espace, c’est bien que je parles d’un environnement où il fait déjà froid, donc l’idée n’est *évidemment* pas de se refroidir encore plus ! Ici je ne parlais pas de produire de l’électricité, comme avec le plutonium (quoi que j’ai compris ce dont tu parlais, et je trouves le principe plutôt joli (aller chercher un poil d’énergie n’importe où (d’autant plus que l’essentiel de l’énergie de notre corps est dépensé en chaleur), même si — comme tu l’as très justement fait remarquer — totalement débile, en tout cas peu utile (et non btw, le moyen le plus efficace de produire de l’énergie à base de force musculaire (sauf que dans ton idée on parle pas de force musculaire mais calorifique, hors on dépense moins d’énergie mécaniquement que calorichimiquement (pas sûr du mot mais bon l’ATP les pertes le sang chaud toussa tu vois quoi)) est certes la dynamo, mais pas la remontée de poids… qui n’est pas une production d’énergie mais un stockage, et tu n’en décris pas les modalités… à grandes brasses (littéralement une unité de mesure d’ailleurs) ?) mais le pédalage : les muscles les plus puissants qu’on possède sont ceux des jambes : après à partir de là évidemment le moyen le plus rentable (avec le moins de perte immédiates) de stocker de l’énergie d’origine mécanique c’est évidemment de l’énergie mécanique (potentielle, en l’occurence, mais ça aurait aussi bien pu être cinétique (un volant à inertie) : yaurait eu plus de pertes (par frottement), mais chuis sûr qu’on peut trouver des désavantages à l’énergie potentielle qu’ya pas avec les volants d’inertie (mobilisable plus vite ? moins de volume (enfin, hauteur) requis ?)), mais ici on parle de production, ni toi ni moi n’avons évoqué de stockage) et c’est pour ça que c’est évidemment pas de ça que je parlais), mais bel et bien le sujet de l’article : produire du froid avec de l’électricité. Sauf qu’ici, le froid est produit *vers l’extérieur*, donc un peu l’inverse de la clim, genre une espèce de p’tit vêtement/radiateur chauffant électronique qui fonctionnerait comme une pompe à chaleur, mais avec de la micro-électronique plutôt que de la mécanique (ou un machin qui crame localement et nécessite pas mal d’un métal moins abondant que le silicium vraiment partout) : est-ce que c’est intéressant pour se réchauffer d’utiliser un module peltier ? quels seraient les avantages et inconvénients par rapport à un système classique utilisant l’effet joule ?

En fait cette tergiversation bizarre me vient du fait que je me demande comment « naturellement » ça se passe par raport au niveau isolation transfert de chaleur quand on a un module peltier… si c’est parfaitement isolé il fait quoi ? si ya 0 isolation il fait quoi ? il isole lui-même modulo plus d’électricité ?

Un autre truc que j’ai pas compris : si on augmente la tension/intensité électrique on peut moduler la différence de température à postériori ou ça dépend vraiment de la conception de comment ça a été fondu/dopé ? j’ai compris qu’on pouvait inverser la polarité à volonté (ce que je trouve rigolo et qui a participé à cette idée), mais le reste… ?

Ah mais atta si tu le dis plus tard en parlant de contrôle très précis de la température… mais du coup voilà le morceau qui porte à confusion « Un module Peltier se caractéristique par la différence de température qu’il peut maintenir entre ses faces. Si cette différence est de 30 °C, alors si une face est maintenue à température ambiante de 20 °C grâce à un système de refroidissement, alors l’autre face peut descendre à −10 °C. » -> c’est pas le module peltier qui est caractérisé par cette différence, mais la tension qu’on y applique (potentiellement variable (et bornée (j’imagine bien qu’à un moment donné ça se dissipe totalement dans le fil trop gros, ou qu’au contraire ça fond dans le fil trop mince)) en fonction du dit module oui), non ?

Mais alors la question c’est : sans isolation, quel côté « gagne » ? ou alors la moyenne des deux en fonction de son inertie thermique ? faudrait peut-être l’expliquer pour que le fonctionnement du bouzin soit plus claire au premier lecteur venu (ça implique peut-être d’expliquer de la thermo de base chépa, mais bon t’as bien réexpliqué les semi-conducteurs dans cet article (très joli et self-contained btw) !)

Ça me fait aussi penser à cette question que je me pose souvent… je vois tellement d’alpinistes se branler sur la difficulté/danger du grand froid… les astronautes ils font comment ? radiateur à effet joule intégré (et là un module peltier ce serait utile du coup (POUR LES RÉCHAUFFER HEIN pas pour se faire quelques mV sur le dos de leur mort par hypothermie évidemment mdr) ?) ? isolation sous vide ? l’équivalent d’une couverture de survie simple ? combi pleine d’air (voir de mousse pour éviter qu’un bord touche) ? j’ai toujours eu cette image des gros bras de cosmonautes tout gonflés comme des ballons mais si c’était vraiment ça on le verrait pendre et yaurait toujours un côté du bras qui toucherait un bord et aurait donc trop froid… non vraiment je vois pas :/ ou alors il existe un fluide très très très visqueux et avec une conductivité thermique aussi merdique que celle de l’air ?

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galex-713 écrit :

J’ai vu ça au Vieux Campeur à Paris et demandé, et il s’agissait de modules peltiers : ils vendent un réchaud à bois portable en alu, avec ventilo, lampe, et batterie intégrée. Le principe est celui d’un dragon (ou rocket stove), qui brule à très très haute température l’intégralité de ce qu’on met dedans selon une combustion complète, et l’excès de chaleur est stocké dans la batterie via un module peltier, et utilisable pour recharger un appareil (autour de 3W restants en moyenne) après avoir été utilisée pour faire tourner le ventilo qui va *encore plus* augmenter la combustion, et potentiellement la led intégrée (qui va produire beaucoup plus de lumière que le dit feu, bien que celle-ci sera beaucoup plus blanche). La marque c’est BioLite (mais pas donné, autour de 300 balles), et apparemment c’est des habitués de l’électricité off-grid, ils font aussi des poele plus gros… Là ils sont à la troisième version et en re-sortent régulièrement, peut-être qu’ils arrivent à améliorer le concept…

J’aimerais bien un tel poelle dont l’intégralité de la surface ce soit des modules peltier, qui reste froid, et qui produise plus d’électricité. Parce que les panneaux solaires portables c’est bien gentil, mais ça marche que le jour…

Je me demande aussi si ya pas moyen de se servir directement de la chaleur (et pas juste sa convection) pour faire tourner le ventilo, plutot que de passer par un module peltier, une turbine à gaz, ou quoi

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Nico écrit :

Bonjour à tous, je voulais quelque conseil de ta part @le hollandais vollant 😉
Je voudrais refroidir un vêtement avec une batterie est ce que ce système de module Peltier conviendrais ou auriez vous une autre idée ? Merci


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