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發(fā)表.刊登日期: 2023/09/13 開(kāi)發(fā)了一種高精度熱電器件轉(zhuǎn)換效率評(píng)價(jià)裝置-通過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化為熱電發(fā)電創(chuàng)造和擴(kuò)大新市場(chǎng)做出貢獻(xiàn)- NEDO致力于“清潔能源領(lǐng)域創(chuàng)新技術(shù)的國(guó)際共同研究開(kāi)發(fā)事業(yè)”(以下簡(jiǎn)稱本事業(yè))，此次與產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所共同開(kāi)發(fā)了高精度的熱電器件轉(zhuǎn)換效率評(píng)價(jià)裝置(以下簡(jiǎn)稱本裝置)。 為了高精度地評(píng)價(jià)熱電器件的轉(zhuǎn)換效率，需要準(zhǔn)確測(cè)量向熱電器件的輸入熱流的量，但由于無(wú)法測(cè)量從熱電器件側(cè)面流出的損耗熱流，因此存在過(guò)大或低估轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題。 在本裝置中，通過(guò)在熱電器件的周圍設(shè)置根據(jù)熱特性而優(yōu)化的保護(hù)環(huán)，可以將側(cè)面的熱損失抑制在最小限度。 由此，能夠確認(rèn)向熱電器件的輸入熱流和通過(guò)熱流在測(cè)量的不確定性范圍內(nèi)一致，朝著制定熱電器件發(fā)電性能試驗(yàn)法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的努力取得了前進(jìn)。 今后，本事業(yè)將與海外的研究機(jī)構(gòu)合作，通過(guò)對(duì)熱電設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率評(píng)價(jià)裝置進(jìn)行比較評(píng)價(jià)，努力實(shí)現(xiàn)國(guó)際評(píng)價(jià)法的一致性。 據(jù)此，將為發(fā)電性能試驗(yàn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)指明道路，為熱電發(fā)電的新市場(chǎng)創(chuàng)造和擴(kuò)大做出貢獻(xiàn)。 該研究成果的詳細(xì)內(nèi)容將在2023年9月19日至23日在熊本縣熊本市召開(kāi)的第84屆應(yīng)用物理學(xué)會(huì)秋季學(xué)術(shù)演講會(huì)上發(fā)表。
圖1熱電器件轉(zhuǎn)換效率評(píng)價(jià)裝置中心部的示意圖 1．背景引進(jìn)太陽(yáng)能、風(fēng)力、地?zé)岬瓤稍偕茉?，徹底追究?jié)能，是實(shí)現(xiàn)脫碳社會(huì)必不可少的措施，其中，有效利用工廠和汽車等的廢熱是節(jié)能對(duì)策的重要支柱之一。 因此，對(duì)通過(guò)熱電器件※1將廢熱轉(zhuǎn)換為電能的熱電發(fā)電※2寄予了厚望，在世界范圍內(nèi)，熱電發(fā)電的高效率化也得到了推進(jìn)。 另一方面，由于轉(zhuǎn)換效率的評(píng)價(jià)方法在國(guó)際上沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有時(shí)結(jié)果會(huì)不一致，因此無(wú)法正確評(píng)價(jià)熱電設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率是熱電發(fā)電開(kāi)發(fā)和普及時(shí)的問(wèn)題。 在這樣的背景下，NEDO (國(guó)立研究開(kāi)發(fā)法人新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu))從2020年度開(kāi)始在本事業(yè)※3中與國(guó)立研究開(kāi)發(fā)法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(產(chǎn)總研)一起，致力于提高熱電設(shè)備的評(píng)價(jià)技術(shù)。 2．這次的成果熱電器件的轉(zhuǎn)換效率用輸入熱流※4與產(chǎn)生的電力的比率表示。 為了高精度地評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換效率，正確求出輸入熱流的量是關(guān)鍵。 另一方面，產(chǎn)生輸入熱流的加熱器與其周邊的溫度存在差異時(shí)，會(huì)受到來(lái)自加熱器的熱輻射※5的影響，影響輸入熱流的測(cè)量精度。 因此，使用了防護(hù)※6加熱器的方法，以及代替輸入熱流測(cè)量不易受到熱輻射影響的低溫側(cè)的通過(guò)熱流的方法。 但是，即使使用這些方法，也無(wú)法測(cè)量從熱電器件側(cè)面流出的損耗熱流，因此存在過(guò)大或低估轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題。 最近，NEDO和產(chǎn)總研為了將熱電器件側(cè)面的熱損失最小化，開(kāi)發(fā)出了在熱電器件周圍設(shè)置保護(hù)環(huán)的本裝置(圖2 )。 保護(hù)環(huán)可以根據(jù)要評(píng)價(jià)的熱電器件調(diào)整其厚度，使熱阻※7最優(yōu)化。 由此，可以使熱電器件及其周邊的溫度相等，將因熱輻射而流出的熱損失抑制在最小限度。
圖2熱電器件轉(zhuǎn)換效率評(píng)價(jià)裝置整體圖 為了評(píng)價(jià)本裝置的性能，測(cè)量了向具有標(biāo)準(zhǔn)面積和厚度( 30 mm×30 mm×6 mm )的熱電器件的輸入熱流和通過(guò)熱流，通過(guò)計(jì)算其差求出了器件側(cè)面的熱流出量。 此時(shí)，設(shè)想工業(yè)領(lǐng)域的中低溫廢熱利用，將熱電器件正上方(高溫側(cè))的溫度控制在550開(kāi)爾文( k ) (約277 ℃)、600 K (約327 ℃)、650 K (約377 ℃)、700 K (約427 ℃) 另一方面，通過(guò)將熱電器件正下方(低溫側(cè))的溫度保持恒定為300 K (約27 ℃)，調(diào)整了熱電器件兩面的溫度差。 無(wú)保護(hù)環(huán)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，如圖3左所示，隨著溫差的增大，輸入熱流和通過(guò)熱流的差在擴(kuò)大。 這可能是因?yàn)殡S著加熱器的升溫，熱電器件側(cè)面的熱損失增加了，溫度差約為400 K時(shí)，輸入熱流和通過(guò)熱流的差達(dá)到了約5瓦( w )。 在熱電器件周圍安裝保護(hù)環(huán)進(jìn)行了同樣的測(cè)量，如圖3右所示，在所有溫差區(qū)域，輸入熱流和通過(guò)熱流之差都降低到了1 W以下。 由此可以確認(rèn)，在計(jì)算熱電器件的轉(zhuǎn)換效率時(shí)，即使使用低溫側(cè)配備的熱流計(jì)※8測(cè)量的值，在測(cè)量的不確定性※9的范圍內(nèi)也沒(méi)有問(wèn)題。
圖3熱電器件輸入熱流和通過(guò)熱流測(cè)量結(jié)果的比較 3．今后的計(jì)劃產(chǎn)總研將在2023年9月19日至23日在熊本縣熊本市召開(kāi)的第84屆應(yīng)用物理學(xué)會(huì)秋季學(xué)術(shù)演講會(huì)上發(fā)表本技術(shù)的詳細(xì)內(nèi)容※10。 NEDO和產(chǎn)總研在本事業(yè)中，將與海外的研究機(jī)構(gòu)合作，通過(guò)對(duì)熱電設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率評(píng)價(jià)裝置進(jìn)行比較評(píng)價(jià)，以實(shí)現(xiàn)國(guó)際評(píng)價(jià)法的一致性。 據(jù)此，將為發(fā)電性能試驗(yàn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)指明道路，為熱電發(fā)電的新市場(chǎng)創(chuàng)造和擴(kuò)大做出貢獻(xiàn)。 注釋
※1熱電器件
由攜帶電荷的電荷載體(載體)為帶正電荷的空穴的p型熱電材料和帶負(fù)電荷的電子即n型熱電材料串聯(lián)而成的結(jié)構(gòu)稱為熱電器件。 熱電器件有假設(shè)使用環(huán)境的大氣中的發(fā)電量和可靠性等幾個(gè)需要評(píng)價(jià)的性能，其中轉(zhuǎn)換效率是最重要的性能。
※2熱電發(fā)電
對(duì)導(dǎo)體施加溫差后，固體中電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓。 這是利用該熱電效應(yīng)(塞貝克效應(yīng))的發(fā)電方法。
※3本事業(yè)
事業(yè)名稱:清潔能源領(lǐng)域創(chuàng)新技術(shù)的國(guó)際共同研究開(kāi)發(fā)事業(yè)
業(yè)務(wù)期間: 2020年度~2023年度
業(yè)務(wù)概要:清潔能源領(lǐng)域創(chuàng)新技術(shù)的國(guó)際共同研究開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)
https://www.nedo./activities/zzjp _ 100173.html
※4熱流
熱能移動(dòng)時(shí)，其流動(dòng)稱為熱流。 特別是，將從高溫側(cè)向熱電器件施加的熱流稱為輸入熱流，將通過(guò)熱電器件向低溫側(cè)流出的熱流稱為通過(guò)熱流，另外，將因熱輻射而流出的熱流稱為損失熱流。
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