Un dispositif hybride pour convertir plus efficacement la chaleur en électricité

Publié par Redbran le 26/06/2019 à 14:00
Source: CNRS INSIS
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En combinant en champ proche deux types de convertisseurs, thermophotovoltaïque et thermoïonique, des chercheurs du Cethil et de l'Instituto de Energía Solar (Madrid, Espagne) ont imaginé un dispositif de conversion d'énergie thermique en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) qui atteint un rendement et une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) électrique supérieurs aux convertisseurs isolés. Les résultats sont publiés dans la revue Nano Energy.


Schéma du principe du convertisseur thermoïonique-photovoltaïque en champ proche

Pour récupérer l'énergie thermique disponible dans des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) portés à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) et la convertir directement en électricité, plusieurs types de solutions existent. Dans un dispositif thermophotovoltaïque (TPV) les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) infra-rouges émis par la source thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) sont absorbés par une cellule photovoltaïque (Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la...) qui produit un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...). Dans un dispositif thermoïonique (Une émission thermoïonique est un flux d'électrons provenant d'un métal ou d'un...), c'est l'émission d'électrons par une cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction...) chaude vers une anode froide qui produit le courant. Mais ces systèmes sont caractérisés par un rendement peu élevé (thermoïonique) et une faible densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de puissance (TPV). Des chercheurs du Centre d'énergétique et de thermique de Lyon (Cethil, CNRS/Insa Lyon/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le...) Lyon1) et de l'Instituto de Energía Solar (Madrid, Espagne) ont eu l'idée de combiner les deux technologies, tout en diminuant la distance entre la source thermique et le convertisseur thermophotovoltaïque à moins d'un micron. Dans ce système thermophotovoltaïque "en champ proche" renforcé par un effet thermoïonique, le transfert des photons s'accroît par effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir...), et la puissance électrique générée augmente.

Les performances attendues du nouveau concept de convertisseur thermoïonique-photovoltaïque en champ proche ont été estimées. Un rendement de conversion de 30% peut théoriquement être atteint, alors qu'une cellule TPV en champ proche seule est limitée à environ 10% de rendement. De même, la densité de puissance atteint 70 W/cm², au lieu d'environ 10 W/cm². De plus, il est établi que les pertes résistives sont sévères pour les cellules TPV, notamment en raison des forts flux de photons en champ proche, de manière similaire aux cellules solaires sous concentration. L'hybridation thermoïonique-photovoltaïque semble résoudre totalement ce problème.

Les chercheurs souhaitent maintenant passer de la preuve de concept à un démonstrateur. Pour y parvenir, ils pourront s'appuyer sur les acquis du projet ANR DEMO-NFR-TPV de convertisseur thermophotovoltaïque en champ proche, et du projet européen Amadeus de convertisseur thermoïonique-thermophotovoltaïque en champ lointain, dont les prototypes sont en cours de développement.

Référence:
Thermionic-enhanced near-field thermophotovoltaics.
A. Datas et R. Vaillon.
Nano Energy (2019)
DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.04.039

Rodolphe Vaillon a rejoint depuis janvier 2019 l'Institut d'Electronique et des Systèmes.
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