Un dispositif hybride pour convertir plus efficacement la chaleur en électricité
Publié par Redbran le 26/06/2019 à 14:00
Source: CNRS INSIS
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 matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui...) 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 (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation désordonnée de ses molécules et de ses atomes. Les transferts d'énergie thermique entre corps sont appelés...) disponible dans des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) portés à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) 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 électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) infra-rouges émis par la source thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes...) sont absorbés par une cellule photovoltaïque (Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une tension électrique (volt) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque). Le courant obtenu est un courant...) qui produit un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau...). Dans un dispositif thermoïonique, 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 cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique qui...) chaude vers une anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit...) 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 masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure...) 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 10 février 1878 à Paris, est un...) Lyon1) et de l'Instituto de Energía Solar (Madrid, Espagne) ont eu l'idée de combiner les deux technologies, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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 une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique. Généralement, la fonction d'onde d'une particule, dont le carré du...), 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 (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les...) 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 (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) de la preuve de concept à un démonstrateur. Pour y parvenir, ils pourront s'appuyer sur les acquis du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de contribution, et...) 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 (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) d'Electronique et des Systèmes.
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