単脚Nを埋設した熱電コンクリートレンガの製作と熱電変換

Scientific Reports volume 13、記事番号: 916 (2023) この記事を引用

1343 アクセス

2 引用

メトリクスの詳細

熱電デバイスの効率を向上させるために、断熱材による熱損失の低減と多層構造による熱界面抵抗の効果を調査するために、内部に単脚n型CaMnO3熱電モジュールを使用して熱電コンクリートレンガを製作しました。 CaMnO3 熱電材料は、出発材料 CaCO3 と MnO2 によって合成され、ユニレッグ n 型 CaMnO3 モジュールを生成しました。 熱電コンクリートれんがは、I層れんが（1層のコンクリート断熱材）とIII層れんが（3層の異なるコンクリート断熱材）の2種類で構成されています。 CaMnO3 モジュールと熱電コンクリートレンガに発生する温度差、電流、電圧を閉回路と開回路で測定しました。 100℃、200℃、400℃の一定温度を印加した際の温度差、熱分布、出力電圧を測定しました。 実験結果と比較するために、有限要素法 (FEM) のコンピューター シミュレーションが実行されました。 実験とコンピュータシミュレーションからの温度差と出力電圧の傾向はよく一致しました。 高温側温度200℃における温度差の結果では、III層れんが172℃、I層れんが132℃の両タイプとも、熱電コンクリートれんがの鉛直方向に温度差が見られました。 Cは108℃のコンクリート断熱材を使用しないCaMnO3 TEGモジュールよりも大きい。 III 層れんがタイプの熱電コンクリートれんが 27.70 mV は、I 層れんがの 26.57 mV および断熱コンクリート絶縁体を使用しない CaMnO3 TEG モジュールの 24.35 mV よりも高い出力電圧結果を示しました。 III 層れんがタイプの熱電コンクリートれんがは、I 層れんがや CaMnO3 TEG モジュールよりも高い発電電力を示しました。 さらに、この結果は、III 層レンガモデルにおける熱電コンクリートレンガが温度差に基づいて発電できることを示しました。 ユニレッグ n 型 CaMnO3 モジュール 120 個の直並列結合回路を覆う I 層コンクリートの TEG コンクリートれんがを構築し、炉の外面に埋め込みました。 コンクリートレンガの高温側の最高温度が 580 °C のとき、レンガの高温側と低温側の温度差は 365 °C で発生し、最大出力電圧は 581.7 mV が得られました。

熱電発電機 (TEG) は、熱エネルギーから直接電力を生成するデバイスです。 TEG の利点は汚染がなく、静音化であるため、機械的に部品を動かしたり、化学反応を起こさずに動作することができます1。 TEG の用途には、宇宙や遠隔地での発電、自動車や産業での廃熱回収、マイクロエレクトロニクスとセンサー 2、バイオマスストーブ 3,4、太陽熱電発電機 (STEG)5、繊維 6、塗料 7、ウェアラブル熱電装置 8,9,10,11 が含まれます。 。

TEG の熱電変換効率 (η) は、次の式 \( \eta = \frac{P}{{\dot{Q}_{h} }}\)12: TEG 効率も材料性能指数の形で計算されます 13:

ここで、ZT は無次元の性能指数です。 \(T_{H}\) と \(T_{C}\) は、それぞれ高温側と低温側の温度です。 式に示すように (1) のように、TEG モジュールの効率は ZT と TEG 動作中に維持される温度差に依存します。 過去 20 年間にわたって、熱電 (TE) 材料の ZT 性能の向上には大きな進歩がありました。 ただし、TEG モジュールの構造、熱損失、電気損失の最適化が効果的でないため、TE モジュールの性能は理論効率よりも大幅に低くなります13。