Des chercheurs développent un nouveau générateur thermoélectrique (TEG) capable de produire de l’électricité en continu grâce à la chaleur du soleil et à un élément radiatif qui libère de la chaleur dans l’air. Fonctionnant de jour comme de nuit et par temps nuageux, ce TEG autonome pourrait constituer une source d’énergie fiable pour de petits dispositifs électroniques tels que des capteurs extérieurs.
« Les sources d’énergie traditionnelles telles que les batteries sont limitées en capacité et nécessitent un remplacement ou une recharge régulière, ce qui peut être peu pratique et non durable« , a déclaré Jing Liu, responsable de l’équipe de recherche de l’Université Jimei en Chine. « Notre nouvelle conception de TEG pourrait offrir une solution énergétique durable et continue pour les petits appareils, répondant aux contraintes des sources d’énergie traditionnelles comme les batteries.«
Les TEG sont des dispositifs à semi-conducteurs qui exploitent les différences de température pour générer de l’électricité sans pièces mobiles. Dans le journal Optics Express du groupe de publication Optica, Liu et une équipe de chercheurs de plusieurs institutions décrivent et démontrent un nouveau TEG capable de générer simultanément la chaleur et le froid nécessaires pour créer une différence de température suffisamment importante pour produire de l’électricité même en l’absence de soleil. La source d’énergie passive est composée d’éléments facilement manufacturables.
La conception unique de notre générateur thermoélectrique auto-alimenté lui permet de fonctionner en continu, quel que soit le temps », a déclaré Liu. « Avec un développement ultérieur, notre TEG a le potentiel d’impacter un large éventail d’applications, des capteurs distants aux dispositifs électroniques portables, favorisant une approche plus durable et écologique pour alimenter notre quotidien.«
Améliorer les performances des TEG
Lorsqu’un matériau thermoélectrique subit un gradient de température, les électrons circulent de la partie chaude à la partie froide, générant un courant électrique. Bien que des TEG basés sur ce phénomène existent, ils ont tendance à produire des différences de température instables et à ne pas générer suffisamment d’électricité pour être utiles.
Pour remédier à ces limitations, les chercheurs ont développé un nouveau type de TEG. Il utilise un composant appelé absorbeur solaire à large bande (UBSA) pour capter la lumière du soleil, ce qui chauffe un côté du générateur. Simultanément, un autre composant appelé émetteur de refroidissement radiatif plan (RCE) refroidit l’autre côté en évacuant la chaleur. L’UBSA et le RCE peuvent être appliqués sur un substrat flexible, ce qui pourrait être utile pour alimenter des dispositifs portables, par exemple.
Comme la puissance de chauffage de l’UBSA est nettement supérieure à la puissance de refroidissement du RCE sous une intensité lumineuse normale, les chercheurs ont placé le RCE au-dessus d’un UBSA de plus grande surface. Lorsque la lumière du soleil frappe l’ensemble du dispositif, les parties non ombragées de l’UBSA absorbent l’énergie solaire pour se réchauffer tandis que le RCE situé au-dessus commence à se refroidir. La combinaison du chauffage et du refroidissement crée une différence de température qui est convertie en électricité.
La nuit ou par temps nuageux, la différence de température est considérablement réduite en raison de l’absence de lumière solaire directe. Cependant, il subsiste une certaine différence de température qui peut être exploitée pour générer de l’électricité, bien que ce soit à une efficacité moindre par rapport à une journée ensoleillée.
Production d’énergie la nuit
Pour tester le dispositif, les chercheurs ont mené des expériences en extérieur sous différentes conditions météorologiques. Ils ont surveillé la tension de sortie du dispositif et ont constaté qu’il pouvait générer de l’électricité en continu tout au long de la journée et de la nuit, ainsi que pendant les journées nuageuses. Le dispositif a atteint une tension de sortie maximale de 166,2 mV pendant les conditions diurnes dégagées, suffisante pour alimenter un petit capteur ou dispositif. Pendant les conditions nocturnes dégagées et diurnes nuageuses, il a généré respectivement 14,7 mV et 95 mV.
Ce nouveau générateur thermoélectrique représente une avancée significative dans le domaine des sources d’énergie renouvelable pour les petits appareils électroniques. Il pourrait contribuer à réduire notre dépendance aux batteries traditionnelles et promouvoir un futur plus écologique pour l’alimentation de nos dispositifs électroniques quotidiens.
« Notre méthode innovante de combinaison du chauffage solaire et du refroidissement radiatif permet au TEG de produire de l’électricité sans interruption« , a déclaré Haoyuan Cai, membre de l’équipe de recherche. « Cela pourrait améliorer l’accès aux services essentiels, en particulier dans les régions éloignées ou sous-développées où les sources d’énergie traditionnelles ne sont pas disponibles.«
Les chercheurs travaillent actuellement à l’optimisation de l’efficacité, de la durabilité et de l’évolutivité du dispositif et prévoient de tester sa stabilité et sa fiabilité à long terme dans diverses conditions. Ils souhaitent également étudier la possibilité d’une production de masse à un coût raisonnable et améliorer les performances de l’appareil et son adaptabilité à différentes applications.
Article : J. Liu, D. Li, W. Ma, Y. Chen, C. Dou, D. Meng, Q. He, X. Li, X. Deng, H. Cai, « All-day uninterrupted thermoelectric generator by simultaneous harvesting of solar heating and radiative cooling, » Opt. Express, 31, 19, 14495- 14508 (2023).
DOI : doi.org/10.1364/OE.483531
Légende image : Le nouveau générateur thermoélectrique auto-alimenté utilise un absorbeur solaire à bande ultra-large (UBSA) pour capter la lumière du soleil, qui chauffe le générateur. Simultanément, un autre composant appelé émetteur planaire de refroidissement radiatif (RCE) refroidit une partie du dispositif en libérant de la chaleur. Crédit / Haoyuan Cai, Jimei University
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