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Cellule thermophotovoltaïque pour la conversion d’énergie stockée à très haute température

Dans un contexte de transition énergétique, les énergies renouvelables vont être massivement déployées pouvant entrainer un déséquilibre entre l’offre et la demande. Il est donc nécessaire de développer des moyens de stockage et de conversion de l’énergie adaptés.

A ce jour, il existe divers moyens
de stockage, ayant chacun leurs avantages et inconvénients, parmi eux :

Le pompage hydraulique (STEP) qui a une grande capacité de stockage mais ne peut pas être déployé n’importe où.

Les volants d’inertie qui ont une faible durée de stockage.

Les batteries électrochimiques (Li-ion, par exemple) qui représentent 95% des moyens utilisés pour stocker l’électricité dans le monde, mais souffrent de la rareté des matériaux et d’un coût de stockage élevé.

Néanmoins, des modes alternatifs sont intéressants comme le stockage de chaleur a très haute température qui peut être couplé avec la conversion thermophotovoltaïque (TPV). En effet, le coût du stockage est 20 fois moins cher que pour les batteries électrochimiques et les matériaux sont disponibles.
La conversion TPV consiste en l’association d’un émetteur de rayonnement thermique (haute température) et d’une cellule PV adaptée.

La cellule TPV fonctionne dans des conditions opératoires particulières :
Une température d’émission élevée (500-2500°C)
Une densité de puissance élevée (20000 W/m2)
Une distribution spectrale différente du spectre scolaire

Principe de la conversion thermophotovoltaïque
Cependant, il reste des obstacles technologiques à maîtriser qui feront l’objet des recherches de cette thèse financée par le projet PV-STAR :

Efficacité : aujourd’hui le rendement des cellules TPV est évalué à 40% mais la puissance délivrée est faible. Il faut donc augmenter l’efficacité des cellules et la puissance spécifique.

Sélectivité spectrale : les cellules TPV sont soumises à des distributions spectrales différentes (IR) du rayonnement solaire. Il faut adapter l’architecture des cellules pour assurer une absorption et une conversion optimales de cette énergie.

Les pertes thermiques et optiques : les cellules TPV sont exposées à des densités de puissance du rayonnement thermique élevées que la cellule doit convertir. Il faut assurer un minimum de pertes pour convertir efficacement ce rayonnement en électricité.

Trois étapes seront nécessaires pour le développement de ces nouvelles cellules TPV

Efficacité : qui permettra d’identifier le contexte opératoire et les matériaux capables de fonctionner dans ces conditions spécifiques avec le maximum d’efficacité.

Conception multi-physique, à partir des résultats préliminaires commencera la phase de conception des cellules TPV à l’aide d’un logiciel. Cette étape permettra de détailler l’architecture de la cellule et définir ses paramètres physiques.

Fabrication et caractérisation, enfin la dernière étape sera la fabrication et caractérisation de la cellule en salle blanche grâce aux moyens disponibles au laboratoire (LAAS CNRS).

 

Amir Debbache
Doctorant
Alexis Vossier (PROMES)
Direction
Guilhem Almuneau (LAAS)
Direction
Inès MASSIOT (LAAS)
Co-encadrement
Rodolphe Vaillon (IES)
Co-encadrement

En cours de réalisation, plus d’informations prochainement.

En cours de réalisation, plus d’informations prochainement.