Un nouveau moteur thermique sans pièces mobiles est aussi efficace qu’une turbine à vapeur

Un nouveau moteur thermique sans pièces mobiles aussi efficace qu'une turbine à vapeur |  Nouvelles du MIT

Une cellule thermophotovoltaïque (TPV) (taille 1 cm x 1 cm) montée sur un dissipateur thermique conçu pour mesurer l’efficacité de la cellule TPV. Pour mesurer l’efficacité, la cellule est exposée à un émetteur et des mesures simultanées de puissance électrique et de flux de chaleur à travers le dispositif sont prises. Crédit : Felice Frankel

Des ingénieurs du MIT et du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont conçu un moteur thermique sans pièces mobiles. Leurs nouvelles démonstrations montrent qu’elle convertit la chaleur en électricité avec une efficacité de plus de 40 %, une performance supérieure à celle des turbines à vapeur traditionnelles.

Le moteur thermique est une cellule thermophotovoltaïque (TPV), similaire aux cellules photovoltaïques d’un panneau solaire, qui capte passivement les photons à haute énergie d’une source de chaleur chauffée à blanc et les convertit en électricité. La conception de l’équipe peut générer de l’électricité à partir d’une source de chaleur comprise entre 1 900 et 2 400 degrés Celsius, ou jusqu’à environ 4 300 degrés Fahrenheit.

Les chercheurs prévoient d’incorporer la cellule TPV dans une batterie thermique à l’échelle du réseau. Le système absorberait l’énergie excédentaire provenant de sources renouvelables telles que le soleil et stockerait cette énergie dans des bancs de graphite chaud fortement isolés. Lorsque l’énergie est nécessaire, comme par temps couvert, les cellules TPV convertissent la chaleur en électricité et envoient l’énergie à un réseau électrique.

Avec la nouvelle cellule TPV, l’équipe a maintenant réussi à démontrer les principales parties du système dans des expériences séparées à petite échelle. Ils travaillent à intégrer les pièces pour démontrer un système entièrement opérationnel. À partir de là, ils espèrent étendre le système pour remplacer les centrales électriques à combustibles fossiles et permettre un réseau électrique entièrement décarboné, entièrement alimenté par des énergies renouvelables.

“Les cellules thermophotovoltaïques ont été la dernière étape clé pour démontrer que les batteries thermiques sont un concept viable”, déclare Asegun Henry, professeur de développement de carrière Robert N. Noyce au département de génie mécanique du MIT. “Il s’agit d’une étape absolument critique sur la voie de la prolifération des énergies renouvelables et de l’obtention d’un réseau entièrement décarboné.”

Henry et ses collaborateurs ont publié leurs résultats aujourd’hui dans la revue Nature. Les co-auteurs du MIT incluent Alina LaPotin, Kevin Schulte, Kyle Buznitsky, Colin Kelsall, Andrew Rohskopf et Evelyn Wang, professeur Ford d’ingénierie et chef du département de génie mécanique, ainsi que des collaborateurs du NREL à Golden, Colorado.

Sauter l’écart

Plus de 90 % de l’électricité mondiale provient de sources de chaleur telles que le charbon, le gaz naturel, l’énergie nucléaire et l’énergie solaire concentrée. Depuis un siècle, les turbines à vapeur sont la norme industrielle pour convertir ces sources de chaleur en électricité.

En moyenne, les turbines à vapeur convertissent de manière fiable environ 35 % d’une source de chaleur en électricité, environ 60 % représentant le rendement le plus élevé de tous les moteurs thermiques à ce jour. Mais la machinerie dépend de pièces mobiles dont la température est limitée. Les sources de chaleur supérieures à 2 000 degrés Celsius, telles que le système de batterie thermique proposé par Henry, seraient trop chaudes pour les turbines.

Ces dernières années, les scientifiques se sont penchés sur des alternatives à l’état solide, des moteurs thermiques sans pièces mobiles, qui pourraient potentiellement fonctionner efficacement à des températures plus élevées.

“L’un des avantages des convertisseurs d’énergie à semi-conducteurs est qu’ils peuvent fonctionner à des températures plus élevées avec des coûts de maintenance inférieurs car ils n’ont pas de pièces mobiles”, explique Henry. “Ils restent assis là et produisent de l’électricité de manière fiable.”

Les cellules thermophotovoltaïques offraient une voie exploratoire vers les moteurs thermiques à semi-conducteurs. Tout comme les cellules solaires, les cellules TPV pourraient être fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs avec une bande interdite particulière – l’écart entre la bande de valence d’un matériau et sa bande de conduction. Si un photon avec une énergie suffisamment élevée est absorbé par le matériau, il peut projeter un électron à travers la bande interdite, où l’électron peut alors conduire, et ainsi générer de l’électricité, sans déplacer les rotors ou les pales.

À ce jour, la plupart des cellules TPV n’ont atteint des rendements que d’environ 20 %, avec un record de 32 %, car elles sont constituées de matériaux à bande interdite relativement faible qui convertissent les photons à basse température et à faible énergie, et donc convertissent l’énergie moins efficacement. .

Capturer la lumière

Dans leur nouvelle conception de TPV, Henry et ses collègues ont cherché à capturer des photons à plus haute énergie à partir d’une source de chaleur à plus haute température, convertissant ainsi l’énergie plus efficacement. La nouvelle cellule de l’équipe le fait avec des matériaux à bande interdite plus élevée et de multiples jonctions, ou couches de matériaux, par rapport aux conceptions TPV existantes.

La cellule est fabriquée à partir de trois régions principales : un alliage à bande interdite élevée, qui repose sur un alliage à bande interdite légèrement inférieure, sous lequel se trouve une couche d’or semblable à un miroir. La première couche capture les photons à plus haute énergie d’une source de chaleur et les convertit en électricité, tandis que les photons à plus faible énergie qui traversent la première couche sont capturés par la seconde et convertis pour s’ajouter à la tension générée. Tous les photons qui traversent cette deuxième couche sont ensuite réfléchis par le miroir, vers la source de chaleur, plutôt que d’être absorbés sous forme de chaleur perdue.

L’équipe a testé l’efficacité de la cellule en la plaçant sur un capteur de flux thermique, un appareil qui mesure directement la chaleur absorbée par la cellule. Ils ont exposé la cellule à une lampe à haute température et ont concentré la lumière sur la cellule. Ils ont ensuite fait varier l’intensité ou la température de l’ampoule et ont observé comment l’efficacité énergétique de la cellule – la quantité d’énergie qu’elle produisait, par rapport à la chaleur qu’elle absorbait – changeait avec la température. Sur une plage de 1 900 à 2 400 degrés Celsius, la nouvelle cellule TPV a maintenu une efficacité d’environ 40 %.

“Nous pouvons obtenir un rendement élevé sur une large plage de températures pertinentes pour les batteries thermiques”, déclare Henry.

La cellule dans les expériences mesure environ un centimètre carré. Pour un système de batterie thermique à l’échelle du réseau, Henry envisage que les cellules TPV devraient s’étendre jusqu’à environ 10 000 pieds carrés (environ un quart d’un terrain de football) et fonctionneraient dans des entrepôts climatisés pour tirer de l’énergie d’énormes banques de stockage. énergie solaire. Il souligne qu’une infrastructure existe pour fabriquer des cellules photovoltaïques à grande échelle, qui pourraient également être adaptées pour fabriquer des TPV.

“Il y a certainement un énorme avantage net ici en termes de durabilité”, déclare Henry. “La technologie est sûre, respectueuse de l’environnement dans son cycle de vie et peut avoir un impact considérable sur la réduction des émissions de dioxyde de carbone provenant de la production d’électricité.”


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Plus d’information:
Asegun Henry, Efficacité thermophotovoltaïque de 40%, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04473-y. www.nature.com/articles/s41586-022-04473-y

Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.

Citation: Un nouveau moteur thermique sans pièces mobiles est aussi efficace qu’une turbine à vapeur (13 avril 2022) récupéré le 13 avril 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-04-efficient-steam-turbine.html

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