Un convertisseur thermoïonique-thermophotovoltaïque en champ proche

La conversion de l’énergie thermique, disponible ou stockée à haute température, en énergie électrique, permettrait de pallier le problème posé par l’intermittence des énergies solaires ou éoliennes. Une solution possible est basée sur la conversion thermoélectrique, qui met à profit les gradients thermiques établis dans les solides. Les alternatives liées à l’émission par les sources thermiques, de photons dans des dispositifs dits thermophotovoltaïques, ou d’électrons dans des dispositifs dits thermoïoniques, sont également à l’étude. Si la distance entre la source thermique et le convertisseur thermophotovoltaïque est diminuée en dessous du micron, alors le transfert de photons s’accroît par effet de champ proche (effet tunnel) et la puissance électrique générée par photoconversion augmente également.

Un nouveau concept, proposé par des chercheurs de l’Instituto de Energia Solar (Madrid, Espagne) et du Centre d’Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, France)*, consiste à combiner les deux types de dispositifs thermophotovoltaïque en champ proche et thermoïonique en un seul dispositif hybride. Le nouveau convertisseur hybride permettrait d’atteindre des rendements de conversion et des puissances électriques supérieures à ceux des convertisseurs fonctionnant de manière isolée. De plus, il est établi que les pertes résistives sont sévères pour les cellules thermophotovoltaïques, notamment en raison des forts flux de photons en champ proche, de manière similaire aux cellules solaires sous concentration. Il s’avère que l’hybridation thermoïonique-photovoltaïque imaginée semble résoudre totalement cet épineux problème. Les travaux sur ce nouveau concept viennent d’être publiés dans un article de la revue Nano Energy.

La mise en œuvre pratique est maintenant envisagée. Des prototypes de convertisseur thermophotovoltaïque en champ proche (projet ANR DEMO-NFR-TPV) et thermoïonique-thermophotovoltaïque en champ lointain (projet Européen AMADEUS) sont déjà en cours de développement. Le prochain défi sera donc de combiner les acquis de ces deux projets pour réaliser le convertisseur hybride en champ proche.

Ces travaux ont notamment fait l'objet d'une brève du CNRS et d'un article dans Industrie et Technologies.

* Contact chercheur : R. Vaillon (rodolphe.vaillon@ies.univ-montp2.fr). R. Vaillon a rejoint l’Institut d’Electronique et des Systèmes à Montpellier début 2019.

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