2017 Fiscal Year Annual Research Report
High-efficiency solar-thermophotovoltaic power generation systems using thermal diode based on controlling of thermal radiation spectrum
| Project/Area Number |
16H02117
|
|---|
| Research Institution | Tohoku University |
|---|
Principal Investigator |
湯上 浩雄 東北大学, 工学研究科, 教授 (60192803)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
金森 義明 東北大学, 工学研究科, 准教授 (10333858)
清水 信 東北大学, 工学研究科, 助教 (60706836)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | 熱光起電力発電 / 熱ダイオード / 波長選択性熱放射 / マイクロキャビティ |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では高温環境下でのふく射スペクトル制御技術によって熱を一方向へ輸送する熱ダイオード技術と熱放射スペクトル準単色化技術の開発によって、ソーラー熱光起電力（Thermo PhotoVoltaic; TPV）発電システムの飛躍的効率向上を目指す。ソーラーTPV発電は集光太陽光によって加熱された放射体からの熱放射光をPVセルによって電力へ変換するシステムであり、多接合セルを用いる集光型太陽光発電と競合できるレベルの発電効率を潜在的に有し、且つ単接合セルを用いるため発電コストを低く抑えることができる。しかし現在報告されている最大効率は10%以下と低く、本システム効率向上のためには各デバイス間におけるエネルギー輸送効率の大幅な向上が必要である。
本年度はふく射スペクトル制御技術による熱の一方向輸送を実現するため太陽光吸収面（アブソーバ）と熱放射面（エミッタ）に大きな面積比を有するキューブ型アブソーバ・エミッタの開発を行った。その結果、エミッタ側への熱輸送効率、すなわち熱抽出効率は従来の40％程度から60％程度まで改善することができた。またアブソーバとエミッタ面積比によって最適な熱ふく射スペクトルが異なることを見出し、その関係性について詳細解析を行った。さらに解析結果を反映したキューブ型アブソーバ・エミッタを作製し、発電試験を行い、5%超のシステム効率を達成した。
また熱ふく射スペクトル準単色化においては微細キャビティ構造を用いた準単色化技術を検討してきたが、本年度、近赤外域に狭帯域ピークを有する構造を実現することができた。得られたピーク幅から計算されたキャビティのQ値は11程度であり、シミュレーション結果ともよく一致するスペクトルを得ることができた。この結果は本研究で提案した微細構造による熱ふく射スペクトル準単色化コンセプトを実証するものである。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
エミッタへの熱輸送効率、すなわち放射抽出効率が高いキューブ型アブソーバ・エミッタ構造を開発し、アブソーバとエミッタの面積比を踏まえた熱ふく射スペクトル特性を最適化のための詳細解析を行った。さらに解析結果をもとにキューブ型・アブソーバ・エミッタを用いたSolar-TPV発電評価用システムを作製、発電試験を通して5%超と世界トップレベルの発電効率を実現することができた。また、熱ふく射スペクトル準単色化についてシミュレーションとよく一致した狭帯域ピークを実現することができ、本研究で提案したコンセプトを実証することができた。
以上より、進捗状況を上記の通り判断した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後はキューブ型アブソーバ・エミッタを用いた発電システムをベースに更なる発電効率向上を目指す。そのために、現状60％程度の放射抽出効率の更なる向上が可能な熱ふく射スペクトル制御技術の開発を目指す。また、高温時の熱放射特性を正確に評価し、それに基づいた熱ふく射スペクトルおよびアブソーバ・エミッタ面積比等のシステム最適化を行う。
|
