Conception et développement d'un convertisseur thermophotovoltaïque en champ proche

Design and development of a near-field thermophotovoltaic conversion device

• Auteur / Autrice : Christophe Lucchesi
• Direction : Pierre-Olivier Chapuis, Rodolphe Vaillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique
• Date : Soutenance le 15/07/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Yannick De wilde
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Olivier Chapuis, Rodolphe Vaillon, Yannick De wilde, Achim Kittel, Antonio Marti Vega, Agnès Delmas, Jean-François Guillemoles, Anne Kaminski-Cachopo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Achim Kittel, Antonio Marti Vega

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur -- Stockage

Conversion photovoltaïque

Mots clés libres

Thermique

Rayonnement thermique

Champ proche

Thermophotovoltaïque

Sthm

Cryogénie

InSb

Conversion d'énergie électrique

Transfert radiatif

Microscopie thermique à sonde focale

Photovoltaics

Thermal radiation

Thermophotovoltaics

SThM - Scanning Thermal Microscopy

Cryogenic cooling

InSb

Radiative heat transfer

SThM - Scanning Thermal Microscopy

Résumé

Une cellule thermophotovoltaïque (TPV) convertit l’énergie de photons émis par des corps chauds en énergie électrique. Lorsque la distance séparant deux corps rayonnants devient inférieure à la longueur d’onde caractéristique du rayonnement thermique (~10 µm à température ambiante, ~2,3 µm vers 1000°C), le transfert de chaleur radiatif peut s’accroître de plusieurs ordres de grandeur grâce à la contribution des ondes évanescentes. Cette propriété a un intérêt pour la récupération d’énergie en promettant une augmentation de la puissance électrique générée par une cellule TPV lorsqu’elle est placée en champ proche d’un émetteur thermique radiatif. Dans le but de vérifier cette prédiction, cette thèse a consisté à développer un banc expérimental de mesures TPV en champ proche. Le dispositif est basé sur un montage de microscopie thermique avec actuateurs piézo-électriques (SThM). L’émetteur est une sphère micrométrique de graphite attachée sur un levier SThM chauffé de manière thermorésistive jusqu’à 1200 K et la cellule TPV en antimoniure d’indium (InSb), qui ne peut fonctionner au-delà de 100 K, est placée sur le doigt froid d’un cryostat. Le flux radiatif en champ proche transféré par l’émetteur peut être mesuré indépendamment de la puissance électrique générée par la cellule. La preuve expérimentale de l’accroissement de la densité de puissance électrique générée en champ proche, par rapport à la prédiction de la théorie macroscopique du rayonnement, a été apportée avec un facteur jusqu’à 6. L’étude de différents paramètres a permis d’atteindre des puissances TPV de 7.5 kW.m-2 et des rendements de conversion mesurés de ~20 %. Des expériences de transfert radiatif en champ proche dans diverses configurations (matériaux, géométries, températures) ont également été menées. La puissance radiative transférée en champ proche suit des lois de puissance très différentes de celles du champ lointain. Ces résultats démontrent expérimentalement l’intérêt applicatif des effets de champ proche pour le rayonnement thermique.

Thermophotovoltaic (TPV) cells convert the energy of photons emitted by hot bodies into electrical energy. When the distance between two radiating bodies becomes smaller than the characteristic wavelength of thermal radiation (~ 10 µm at room temperature and ~ 2.3 µm near 1000 °C), radiative heat transfer can be enhanced by several orders of magnitude due to the contribution of evanescent waves. This property has an interest for energy harvesting because it should increase the electrical power generated by a TPV cell located in the near field of a radiative thermal emitter. With the aim of confirming this prediction, this thesis consisted in the development of an experimental setup for performing near-field TPV measurements. The setup is based on a scanning thermal microscopy (SThM) design involving piezoelectric actuators. The emitter is a microsphere made of graphite and glued on a SThM cantilever heated by Joule effect up to 1200 K and the TPV cell made of indium antimonide (InSb), which cannot operate above 100 K, is placed on the cold finger of a cryostat. Near-field radiative heat flux transferred from the emitter is measured independently from the electrical power generated by the cell. A study of different parameters provided the experimental proof of the near-field enhancement of the electrical power density generated in the near field by a factor up to 6 compared with the prediction based on the macroscale theory of thermal radiation. Output electrical power densities reach 7.5 kW.m-2 and conversion efficiencies ~20 %. In addition, near-field radiative heat transfer experiments were performed in various configurations (materials, geometries and temperatures). The near-field radiative power follows power laws different from those of the far field. These results highlight the interest of near-field effects on radiative heat transfer for applications.