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RÉSUMÉ
La production d’électricité décarbonée est une nécessité qui appelle le développement de nombreuses technologies. La conversion thermophotovoltaïque consiste à réaliser une conversion directe d’énergie thermique par effet photovoltaïque. Cousine de la conversion photovoltaïque associée au rayonnement solaire, elle permet de récupérer de la chaleur radiative issue de sources de températures entre 500 et 2500 °C. Cet article en présente les principes élémentaires, la science et l’ingénierie, et les applications principales. Alimentés par une grande variété de sources d’énergie primaire, couplés à du stockage d’énergie sous forme thermique à très haute température (1000 à 2500 °C), et avec des rendements de cellules tendant vers 50 %, les systèmes thermophotovoltaïques offrent de nouvelles options pour une production décarbonée d’électricité.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Rodolphe VAILLON : Directeur de recherche au CNRS - LAAS-CNRS, Université de Toulouse, CNRS, Toulouse, France
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Pierre-Olivier CHAPUIS : Directeur de recherche au CNRS - CNRS, INSA-Lyon, CETHIL, UMR 5008, Villeurbanne, France
INTRODUCTION
La conversion thermophotovoltaïque permet de générer de l’électricité à partir d’énergie thermique rayonnée par un corps chaud porté à très haute température, typiquement supérieure à 1 000 °C. Elle s’inscrit dans un contexte où l’on cherche à valoriser des gisements de chaleur industrielle perdue et à proposer des solutions de production électrique décarbonée, à partir de sources d’énergie renouvelable mais sans la contrainte de l’intermittence, ce qui est possible grâce au stockage d’énergie sous forme thermique à très haute température. Les principes fondamentaux gouvernant la conversion thermophotovoltaïque sont similaires à ceux de la conversion photovoltaïque solaire. Cependant, il est nécessaire d’optimiser les échanges radiatifs entre le corps chaud et la cellule photovoltaïque. Ceci requiert une sélectivité spectrale, et conduit à ce que rendement et puissance électrique générée ne puissent pas être maximisés simultanément. Il faut donc faire appel à la science et à l’ingénierie des transferts radiatifs, de la conversion photovoltaïque et de la gestion de la chaleur pour concevoir judicieusement les éléments du convertisseur. Des rendements de paire supérieurs à 40 % ont été obtenus en conditions de laboratoire. La recherche académique et des entrepreneurs se concentrent sur le développement de batteries thermophotovoltaïques et de concepts avancés permettant de contourner certains verrous.
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2. Science et ingénierie de la conversion thermophotovoltaïque
Les principes de la conversion TPV ayant été introduits dans la section précédente, nous allons pouvoir aborder les différents constituants d’un convertisseur indépendamment et analyser leurs fonctionnements respectifs afin de parvenir à un système optimisé.
2.1 Transferts radiatifs et défis en conversion TPV
2.1.1 Bases : rayonnement des corps opaques et approche électromagnétique
Cette section rappelle quelques bases qui seront appliquées à la conversion TPV dans le paragraphe 2.2.
HAUT DE PAGE2.1.1.1 Rayonnement thermique des corps opaques
La conversion TPV repose notamment sur la théorie du rayonnement thermique entre corps opaques (corps qui ne se laissent pas traverser par le rayonnement), qui est ici brièvement rappelée. Le lecteur pourra se reporter à [BE 8 210] pour plus de détails.
La surface d’un corps noir – un corps absorbant tout le rayonnement qui lui est incident – de température T émet un rayonnement thermique qui suit la loi de Planck :
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - DATAS (A.), VAILLON (R.) - Thermophotovoltaic energy conversion. - In Ultra-High Temperature Thermal Energy Storage, Transfer and Conversion, Woodhead publishing, p. 285-309 (2021).
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(2) - CAMPBELL (M.F.), CELENZA (T.J.), SCHMITT (F.), SCHWEDE (J.D.), BARGATIN (I.) - Progress toward high power output in thermionic energy converters. - In Advanced Science, 8, p. 2003812 (2021).
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(3) - SHOCKLEY (W.), QUEISSER (H.J.) - Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells. - In Journal of Applied Physics, 32, p. 510-519 (1961).
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(4) - ROUX (B.), LUCCHESI (C.), PEREZ (J.-P.), CHAPUIS (P.-O.), VAILLON (R.) - Main performance metrics of thermophotovoltaic devices: analyzing the state of the art. - In Journal of Photonics for Energy, 14, p. 042403 (2024).
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(5) - ROY-LAVINDE (B.), LIM (J.), ARNESON (C.), FORREST (S.R.), LENERT (A.) - High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells. - In Joule (2024). DOI:10.1016/j.joule.2024.05.002
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