Le but de ce projet est d’étudier la faisabilité de dispositifs électro-caloriques performants autour de la température ambiante et de montrer leur potentialité pour le rafraichissement de bâtiment et de récupération de micro-énergie électrique, par effet pyroélectrique. L’utilisation de l’effet électro-calorique de matériaux diélectriques, plus particulièrement des matériaux ferroélectriques ou des polymères spécifiques sous forme de céramiques, couches minces et couches épaisses, est envisagé pour ces applications. Le refroidissement de l’air ambiant est assuré par la mise en oeuvre de dispositifs électro-caloriques fonctionnant en deux étapes :

1/ on applique une tension positive, le matériau s’échauffe puis revient à sa température initiale par diffusion de la chaleur stockée en son sein vers le milieu extérieur.
2/ une fois le matériau revenu à sa température initiale, on annule la tension. Le matériau se refroidit. Une diffusion de la chaleur s’établit alors de l’extérieur vers le matériau et, par conséquent l’air environnant se rafraichit. 

En ce qui concerne la récupération d’énergie thermique, le couplage pyroélectrique du film électro-calorique est mis en oeuvre.

Le travail de conception a porté sur la structuration du matériau sous forme de film comportant un rapport surface/volume élevé, favorable à une diffusion rapide de la chaleur et par voie de conséquence à une augmentation de la puissance du système. La récupération est basée sur un traitement non-linéaire de la tension de sortie qui permet d’augmenter la conversion d’énergie.

Cette nouvelle technique a fait l’objet de validations expérimentales au LGEF. Elle permet d’obtenir jusqu’à 10 fois plus d’énergie par cycle que l’approche classique. Dans le cas des microgénérateurs, elle offre la possibilité de contourner les problèmes technologiques liés au conditionnement d’énergie sous très basse tension. Dans le cas du refroidissement, le laboratoire LOCIE s’intéresse plus particulièrement aux polymères de la famille des terpolymères P(VDF-TrFE-CTFE) qui présentent un très fort effet électro-calorique. Le choix des matériaux adaptés à nos applications dans l’habitat par exemple a été guidé par l’expertise du laboratoire LGEF et du LOCIE. Pour des dispositifs de dimensions moindres, l’utilisation de matériaux de type PZT ou PMN-PT sous forme de céramiques et de couches épaisses peut s’avérer intéressante. D’une part, l’expertise des laboratoires « Materials Physics-PSU » et du « LGEF » dans le choix des matériaux et leur caractérisations électriques et d’autre part des compétences dans le domaine des films épais auto-supportés du laboratoire « IMS » permettront l’élaboration de dispositifs dont le rapport surface/volume est favorable à la cinétique d’échange de chaleur avec le milieu extérieur. Des études récentes montrent des variations importantes de températures de 10-20°C autour de la température ambiante de 20°C. Les connaissances reconnues du laboratoire « MTECBangkok» permettront une bonne caractérisation physicochimique de ces matériaux.
Au-delà de l’élaboration, de l’étude des propriétés électrocaloriques des matériaux et de leur intégration dans un dispositif, un démonstrateur de convertisseurs pyroélectriques soumis à des variations de températures sera étudié par les laboratoires LGEF et du LOCIE.