Un dispositif hybride pour convertir plus efficacement la chaleur en électricité
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 qui atteint un rendement et une puissance électrique supérieurs aux convertisseurs isolés. Les résultats sont publiés dans la revue Nano Energy.
Pour récupérer l'énergie thermique disponible dans des matériaux portés à haute température et la convertir directement en électricité, plusieurs types de solutions existent. Dans un dispositif thermophotovoltaïque (TPV) les photons infra-rouges émis par la source thermique sont absorbés par une cellule photovoltaïque qui produit un courant électrique. Dans un dispositif thermoïonique, c'est l'émission d'électrons par une cathode chaude vers une anode froide qui produit le courant. Mais ces systèmes sont caractérisés par un rendement peu élevé (thermoïonique) et une faible densité de puissance (TPV). Des chercheurs du Centre d’énergétique et de thermique de Lyon (Cethil, CNRS/Insa Lyon/Université Claude Bernard 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, 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.
© A. Datas - R. Vaillon
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.