02/07/2019 - L'UPM participe à la conception d'un nouveau dispositif thermoélectrique qui améliore la conversion de la chaleur en électricité.

Menéame

Convertir directement chaleur dans l'électricité profitant du flux d'électrons qui est créé dans un matériau lorsque celui-ci est soumis à un gradient de température est le principal objectif de lathermoélectricité, qui se trouve cependant avec une importante limitation: les pertes par conduction thermique à travers ce matériau. Ces pertes conduisent à des gains de conversion thermique inférieurs à 10%.

Dans le but d'inverser cette situation et d'obtenir des gains d'efficacité plus élevés, des chercheurs de Institut de l'énergie solaire de l'Université polytechnique de Madrid (UPM) Centre d'énergie et de sciences météorologiques de Lyon, ont proposé un nouveau dispositif dans lequel le flux d'électrons est remplacé par l'émission de photons et d'électrons à travers un espace nanométrique vide. La propagation d'un type de particule appelé "phones" est ainsi interrompue, ce qui est la principale cause des pertes thermiques dans les dispositifs thermoélectriques actuels. Ce nouveau mécanisme de conversion a été baptisé "thermionic-enhanced near-field thermophotovoltaics"et, théoriquement, permet une augmentation considérable tant de la densité de puissance électrique que de l'efficacité de conversion.

"Pour convertir la chaleur en électricité, les dispositifs actuels utilisent le flux d'électrons à travers un solide, qui se déplacent à partir d'un gradient thermique et finissent par créer une tension qui peut être utilisée pour produire de l'électricité. C'est ce que l'on appelle l'effet thermoélectrique et qui est à la base de nombreux générateurs qui sont aujourd'hui utilisés pour produire de l'électricité à partir de la chaleur résiduelle ou dans des missions spatiales," explique Alejandro Datas, chercheur à l'Institut de l'énergie solaire de l'UPM et auteur de l'étude récemment publiée dans la revue Nano Energy. "Actuellement, la plus grande limitation de la thermoélectricité est que le flux d'électrons est en concurrence avec le flux de plombs, qui sont des quasi-particules vibratoires qui sont transmises à travers le réseau cristalline du matériau. Les plombs transportent une grande partie de la chaleur et entraînent la plupart des pertes thermiques du dispositif. Ces pertes expliquent que l'efficacité de conversion thermoélectrique dépasse rarement 10%" ajoute-t-il.

Transfert de la chaleur à des échelles nanométriques

Mais ces pertes peuvent être éliminées si nous cherchons d'autres mécanismes de transfert et de conversion de la chaleur en électricité. Un matériau chaud contient des atomes en constante vibration. Outre les phonones, ces vibrations produisent également des ondes électromagnétiques. Certaines de ces ondes s'échappent du matériau et nous les percevons sous forme de lumière, ou de rayonnement électromagnétique. Mais d'autres vagues ne peuvent pas s'échapper et restent confinées à proximité de leur surface. Les lois de l'électromagnétisme établissent que l'intensité d'énergie électromagnétique est déclenchée lorsque nous nous plaçons à seulement quelques centaines de nanomètres de distance (environ un millième de l'épaisseur d'un cheveu) de la surface d'un matériau chaud. Cet effet est appelé "effet tunnel " et permet de transférer une grande quantité d'énergie électromagnétique sans qu'il soit nécessaire d'établir un contact physique avec ce matériau. La clé est que cette distance minimale est suffisante pour interrompre le flux de plombs et donc éliminer les pertes thermiques associées à ceux-ci. C'est pourquoi le défi fondamental consiste à transformer cette grande quantité d'énergie électromagnétique superficielle en électricité efficace.

Le dispositif proposé propose une solution combinant les effets thermoniques et photovoltaïques. "Il consiste à mettre une cellule solaire extrêmement près de la surface du matériau chaud, à seulement quelques centaines de nanomètres de distance. De même qu'une cellule solaire produit de l'électricité avec la lumière du soleil, cette cellule produit de l'électricité à partir des radiations électromagnétiques qui se trouvent à la surface du matériau. Mais, comme il est très difficile de placer un câble pour retirer l'électricité, nous remplaçons les câbles par l'émission thermonique d'électrons de la surface elle-même," explique Alejandro Datas. Le dispositif permet ainsi de convertir en électricité non seulement les ondes électromagnétiques (ou photons) mais aussi les électrons émis sur cette surface. L'utilisation simultanée de photons et d'électrons suppose un nouveau paradigme technologique dans le domaine de la conversion directe de la chaleur en électricité. " L'utilisation simultanée de photons et d'électrons comme transporteurs de chaleur dans les processus de conversion thermoélectrique implique de nouveaux défis scientifiques et technologiques qui devront être étudiés plus avant dans les futures recherches," explique Alejandro Datas.

Ce nouveau dispositif émerge d'une collaboration entre deux projets européens: le projet AMADEUS, financé par l'Union européenne, coordonné par l'Institut de l'énergie solaire de l'UPM et axé sur la réalisation expérimentale de ces dispositifs hybrides sur des distances macroscopiques et le projet français DEMO NFR TV qui poursuit l'objectif de développer un dispositif pour la conversion thermophotovoltaïque dans le champ voisin.

" Le défi suivant serait de coordonner les réalisations de ces deux projets pour rechercher un convertisseur hybride dans le domaine voisin," explique les chercheurs.  

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Université polytechnique de Madrid

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