Un appareil transforme la chaleur résiduelle de surface en électricité

La chaleur qui émane des appareils électroniques, des appareils électroménagers et des tuyaux d’eau chaude et d’échappement, appelée chaleur perdue, est une grande source d’énergie inexploitée que les scientifiques tentent d’exploiter depuis des années.

Un groupe de collaborateurs de Penn State et du National Renewable Energy Laboratory ont maintenant trouvé une nouvelle façon de le faire à grande échelle avec l’invention d’un générateur thermoélectrique qui peut s’enrouler autour de surfaces chaudes et convertir la chaleur perdue en électricité.

L’équipe de Penn State avait déjà créé des dispositifs thermoélectriques rigides qui montraient plus d’efficacité pour récupérer la chaleur perdue et produire de l’électricité que les dispositifs commerciaux disponibles pour faire de même. Lorsqu’ils sont placés près d’une source de chaleur, ces appareils convertissent les différences de température en électricité, déplaçant les électrons du côté chaud vers le côté froid pour produire un courant électrique.

Leur travail le plus récent est une évolution de cet appareil qui ajoute l’avantage de la flexibilité tout en offrant un rendement et une efficacité plus élevés, a déclaré Shashank Priya, vice-président associé pour la recherche et professeur de science et d’ingénierie des matériaux à Penn State, qui a dirigé le projet.

En effet, les chercheurs ont découvert que les appareils généraient jusqu’à 28 % de puissance en plus et une densité de puissance de 162 % en plus, ou puissance par unité de masse de matériaux thermoélectriques, par rapport à un module commercial lorsqu’ils étaient placés à proximité de conduites d’eau chaude, ont-ils rapporté.

« Une grande quantité de chaleur provenant de l’énergie que nous consommons est essentiellement rejetée, souvent dispersée directement dans l’atmosphère », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse. « Nous n’avions pas de moyens rentables avec des formes conformes pour piéger et convertir cette chaleur en énergie utilisable. Cette recherche ouvre cette porte.

Comment ça fonctionne

Compte tenu de sa flexibilité, le nouvel appareil offre la possibilité de tirer plus d’énergie des options de chaleur perdue les plus attrayantes, telles que les tuyaux dans les bâtiments industriels et résidentiels et sur les véhicules, ont déclaré les chercheurs.

Dans ces cas, les appareils peuvent être placés directement sur la source de chaleur pour générer de l’électricité, agissant ainsi de la manière la plus efficace possible, a noté Wenjie Li, professeur de recherche adjoint à Penn State qui a également travaillé sur le projet.

« Cela pourrait avoir un impact significatif sur le développement de générateurs thermiques pratiques vers des générateurs électriques », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse.

Les appareils eux-mêmes sont composés de petits couples, ou composants qui transfèrent de l’énergie, chacun ressemblant à une table à deux pieds. Dans les dispositifs typiques, bon nombre de ces couples à deux branches sont connectés ensemble, ce qui forme généralement un dispositif plat et carré.

Pour le nouveau dispositif flexible, les chercheurs ont placé six couples le long d’une fine bande, puis ont utilisé une feuille de métal flexible pour connecter 12 des bandes ensemble. Cela crée un appareil avec 72 couples, chaque couche liée à l’autre avec du métal liquide pour améliorer ses performances, ont-ils déclaré.

Le facteur flexibilité

En règle générale, la mise à l’échelle d’un dispositif thermoélectrique entraînera une perte de densité de puissance, ce qui a rendu difficile la fabrication de générateurs thermoélectriques à grande échelle, a noté Bed Poudel, professeur de recherche associé à Penn State, dans un communiqué de presse.

Cependant, la conception de l’appareil et l’utilisation de métal liquide entre les couches de couples ont réussi non seulement à maintenir son efficacité, mais même à la renforcer, a-t-il déclaré.

En effet, les espaces entre les bandes permettent une flexibilité permettant à l’appareil de s’adapter à des formes telles que des tuyaux, ont déclaré les chercheurs. Ces espaces permettent également une flexibilité dans la modification du facteur de remplissage, ou le rapport entre la surface du matériau thermoélectrique et la surface de l’appareil, ont-ils déclaré. Les scientifiques peuvent utiliser ce facteur pour optimiser les dispositifs thermoélectriques pour différentes sources de chaleur, ont déclaré les chercheurs.

Les chercheurs ont effectué des tests sur un conduit de gaz, constatant que le nouvel appareil présentait une densité de puissance 150% supérieure à celle des autres unités à la pointe de la technologie, ont-ils rapporté. Pendant ce temps, la version à plus grande échelle – un peu plus grande que 3 pouces carrés – a conservé un avantage de 115% en termes de densité de puissance. Cette version présentait une puissance de sortie totale de 56,6 watts lorsqu’elle était placée sur la surface chaude, ont déclaré les chercheurs.

Dans l’ensemble, l’appareil montre un grand potentiel pour aider les installations industrielles et les bâtiments résidentiels et autres à créer plus d’efficacité énergétique, a noté Priya.

« Pensez à une centrale électrique industrielle avec des tuyaux de plusieurs centaines de mètres de long », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse. « Si vous pouvez enrouler ces appareils autour d’une zone aussi grande, vous pourriez générer des kilowatts d’énergie à partir de la chaleur gaspillée qui est normalement simplement jetée. Vous pourriez convertir la chaleur rejetée en quelque chose d’utile.