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Gleichzeitige Gewinnung Von Wärme und elektrischem Strom:
In den meisten Verbrennungsvorgängen wird neben Wärmeenergie auch Energie im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrum freigesetzt. Diese Energie bleibt in heutigen thermischen Kraftwerken ungenutzt. In sogenannten thermophotovoltaischen Systemen dagegen setzt man So1arzellen ein, die das bei der Verbrennung entstehende Licht in elektrischen Strom umwandeln. Dieser Artikel beschreibt ein Forschungs - und Entwicklungsprojekt des Paul Scherrer Instituts in Villigen, in dem das Licht einer Gasflamme zur Produktion einer elektrischen Leistung Von 80 W ausgenutzt wurde.
|Le principe fondamental sur lequel est basé le procédé
thermophotovoltaïque (TPV) est celui d'une cellule photoélectrique
irradiée par un flux lumineux dans un domaine de longueurs d'onde
adapté à une conversion efficace en électricité.
Ce flux radiatif est délivré par un émetteur sélectif
adéquat chauffé par une flamme.

Par conséquent, les éléments les plus importants d'un générateur TPV sont une source de chaleur, un émetteur sélectif et les photodiodes. Les caractéristiques spectrales de l'émetteur et des cellules photoélectriques doivent être donc adaptées de manière à ce qu'elles se recouvrent le mieux possible. De plus, un filtre placé entre l'émetteur et les photodiodes permet d'éviter un échauffement excessif de ces dernières.
Des travaux sont effectués à l'Institut Paul Scherrer (PSI) dans le but de démontrer la faisabilité d’un générateur TPV devant être utilisé comme petite station de production combinée de chaleur et d'électricité. Ces travaux sont conduits en collaboration avec un partenaire industriel, Hovalwerk AG, Vaduz (Liechtenstein) et avec le support financier du fonds de recherche de l'industrie gazière suisse (FOGA). L'intention est de produire un appoint de quelques centaines de watts d'électricité, ainsi qu'environ 20 kW de chaleur.
Description du prototype
(suite)
| La flamme est produite par
un brûleur conventionnel fonctionnant au butane. Sa puissance nominale
est de 1,35 kW. L'émetteur est constitué d'une structure
tissulaire céramique composée d'un mélange de différents
oxydes de terres rares. Ses caractéristiques spectrales sont adaptées
à la sensibilité spectrale des photodiodes au silicium cristallin
utilisés.

Situé entre le brûleur et les photodiodes, un filtre, réalisé ici par un écran d'eau s'écoulant entre deux cylindres de quartz, permet simultanément de protéger les cellules contre les gaz de combustion et d'absorber, ou mieux de réfléchir, le rayonnement inévitable de l'émetteur dans l’infrarouge lointain (longueurs d'onde >1200 nm). Un contact des gaz de combustion avec les photodiodes aurait pour conséquences un échauffement convectif inacceptable de celles-ci, ainsi qu'un encrassement rapide de leur surface.
Les photodiodes utilisées présentent un rendement de 16% sous conditions standards (T= 25°C et Gn=1000 W/m2). Elles sont couplées en série afin d'obtenir une tension aussi élevée que possible. La surface active totale des cellules est de 380 cm2.
Des réflecteurs axiaux, supérieur et inférieur, permettent de réduire au maximum les pertes axiales par rayonnement et contribuent ainsi également à mainte nir la température de l'émetteur à un niveau élevé.
La puissance électrique de ce générateur TPV s'élève actuellement à 18W
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|L'élément crucial: l'émetteur sélectif

Un point essentiel pour le rendement d'un générateur TPV est l'adaptation des caractéristiques spectrales de l'émetteur sélectif à celles de la photodiode utilisée. Dans ce but, les oxydes des métaux du groupe des terres rares, tels l'ytterbium, l'erbium et l'holmium, se sont avérés comme étant particulièrement intéressants (fig. 2).
Fig.2 Caractéristiques spectrales des oxydes de terres rares
Fig.3 Emetteur à l'essai (Yb2O3)
Pour des raisons économiques cependant, seules les photodiodes au Si sont actuellement utilisées. Les caractéristiques spectrales dépendent fortement de la morphologie des matériaux utilisés pour l’émetteur. Le développement de méthodes de synthèse des oxydes mentionnés et de procédés de fabrication d'un émetteur sélectif en céramique est donc une tâche importante dans le cadre du projet.
Les caractéristiques spectrales de l'émetteur dépendent fortement de la morphologie des matériaux utilisés. Le développement de méthodes de synthèse et de fabrication représente donc l'une des tâches prioritaires dans le cadre du projet.
Modélisation du système
(suite)
| D'autres
modèles ont été développés dans le but
d'optimiser la configuration du système brûleur/émetteur,
la stabilité de la flamme et le transfert d'énergie de la
flamme à l'émetteur.

Les résultats de la simulation montrent, par exemple, qu'il existe une température optimale pour l'émetteur (fig. 4). Cette température dépendant, entre autres, du chiffre d'air de la combustion et des caractéristiques spectrales du filtre utilisé. Il s'avère ainsi que le choix du filtre a également une grande importance, non seulement au niveau des performances énergétiques du système, mais également en ce qui concerne la production des oxydes d'azote thermiques (NOx).
Fig.4 Optimisation de la température de l'émetteur
- transmission = 1 pour (X) <1,12 (pm)
- réflexion = 1 pour (X) > l,l2 (pm)
Rendement de conversion
Le rendement de conversion peut être interprété comme le résultat du produit de deux facteurs:
eel = (eflamme => émetteur) * (eémetteur => photodiode)
avec: eflamme => émetteur, l'efficacité du transfert convectif d'énergie de la flamme à l'émetteur
et: eémetteur => photodiode, l'efficacité du transfert et de la conversion de l'énergie radiative.
Le premier facteur décroît en fonction de la température de l'émetteur alors que le second augmente. Ces fonctions étant pratiquement linéaires dans le domaine de température considéré, il en résulte une parabole dont le maximum peut être déterminé de manière univoque.
Estimation du potentiel
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|Conclusions et perspectives

Les résultats de la simulation et des premières expériences en laboratoire montrent que la puissance électrique produite reste modeste. Il faut cependant souligner que le but principal du projet n'est pas d'atteindre un rendement électrique maximum, mais plutôt de produire un appoint d'électricité sous des conditions économiques avantageuses et ceci durant la période de chauffage, c'est-à-dire surtout en hiver lorsque la demande elle-même est élevée.
Une chaudière à gaz d'une puissance nominale de 20 kWé équipée d'un système TPV est actuellement en cours de réalisation (fig. 5). Cette installation de démonstration permettra d'étudier le comportement du système complet sous conditions réelles de fonctionnement.
Fig.5 Intégration d'un système TPV dans une chaudière à gaz de 20kW
|Bibliographie

[1] M. Schubnell, W. Durisch, B. Grob, J-C. Mayor, J.C Panitz:Koproduktion Von Wärme und Strom mit Thermophotovoltaik. Gas, Wasser, Abwasser, gwa 78(1998)4.
[2] W Durisch, B. Grob, J-C. Mayor; J.C. Panitz, A. Rosselet: Interfacing a Small Thermophotovoltaic Generator to the Grid. Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Fourth NREL Conference, Colorado Springs 1998, AIP Conferences Proceedings 460, American Institute of Physics 1999.
[3] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 1997.
Sonderdruck Bulletin SEV/VSE 89(1998)16.
Adresse des auteurs
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