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高温フォトニクスによる太陽熱光起電力発電システム ~世界最高効率達成への挑戦~

研究課題

研究課題/領域番号 16J02560
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 熱工学
研究機関東北大学

研究代表者

小桧山 朝華  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2016-04-22 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
1,300千円 (直接経費: 1,300千円)
2017年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2016年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
キーワード熱光起電力発電 / 熱ふく射 / 波長選択 / 熱ふく射スペクトル制御 / エネルギー変換
研究実績の概要

熱ふく射の波動性を利用した技術(=熱ふく射スペクトル制御技術)は様々なエネルギーシステムの効率向上が期待されるが、高効率エネルギーシステムへの展開は不十分である。本研究では、高温フォトニクス技術を用いて、熱ふく射スペクトル制御技術を応用させた高効率な太陽熱光起電力発電(Solar-Thermophotovoltaic : Solar-TPV)システムの開発を目的としている。
今年度の研究では、昨年度確立した高効率達成のためのSolar-TPVシステム設計指針に基づき,基盤技術開発及び発電実証試験に取り組んだ。具体的には、昨年度提案した“熱ふく射のスペクトル制御”と“熱ふく射の一方向への輸送”の概念に基づいた熱ふく射の変換・輸送効率のさらなる向上が期待できる,ふく射体材料の幾何学構造を新たに提案し、Solar-TPVシステムの全体設計を行った。高いふく射抽出効率が期待できる幾何学構造を採用し,太陽光選択吸収材料と波長選択エミッタの設計を行った。設計後は実際に作製を行い、より高い熱ふく射の変換・輸送効率を得るため高い面積比を持たせ、太陽光選択吸収材料からの反射・放射損失を抑制した結果、熱ふく射の輸送・変換効率76%が期待できる太陽光選択吸収材料および波長選択エミッタの設計と作製に成功した。作製した太陽光選択吸収材料、波長選択エミッタ、ガリウムアンチモン光電変換セルを用いた発電試験に成功し,高いふく射抽出効率に基づく発電効率が得られた。
以上の成果に関して,申請者はシステムにおける熱ふく射の輸送・変換効率の向上に関する学術論文を執筆した。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2018 2017 2016 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 6件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Radiative heat transfer enhancement using geometric and spectral control for achieving high-efficiency solar-thermophotovoltaic systems2018

    • 著者名/発表者名
      Asaka Kohiyama, Makoto Shimizu, Hiroo Yugami
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 57 号: 4 ページ: 040312-040312

    • DOI

      10.7567/jjap.57.040312

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evaluation of thermal stability in spectrally selective few-layer metallo-dielectric structures for solar thermophotovoltaics2018

    • 著者名/発表者名
      Makoto Shimizu, Asaka Kohiyama, Hiroo Yugami
    • 雑誌名

      Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer

      巻: 212 ページ: 45-49

    • DOI

      10.1016/j.jqsrt.2018.02.037

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Spectrally shaping high-temperature radiators for thermophotovoltaics using Mo-HfO2 trilayer-on-substrate structures2018

    • 著者名/発表者名
      Etienne Blandre, Makoto Shimizu, Asaka Kohiyama, Hiroo Yugami, Pierre-Olivier Chapuis, and Rodolphe Vaillon
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 26 号: 4 ページ: 4346-4357

    • DOI

      10.1364/oe.26.004346

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Unidirectional radiative heat transfer with a spectrally selective planar absorber/emitter for high-efficiency solar thermophotovoltaic systems2016

    • 著者名/発表者名
      Asaka Kohiyama, Makoto Shimizu, Hiroo Yugami
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 9 号: 11 ページ: 112302-112302

    • DOI

      10.7567/apex.9.112302

    • NAID

      210000138094

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 太陽熱光起電力発電システムにおけるふく射抽出効率の向上2018

    • 著者名/発表者名
      小桧山朝華,清水信,湯上浩雄
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] ふく射熱輸送特性と波長選択性の太陽熱光起電力発電システム効率への影響2017

    • 著者名/発表者名
      小桧山朝華,清水信,湯上浩雄
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜,神奈川県
    • 年月日
      2017-03-14
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] High-Efficiency solar-thermophotovoltaic systems based on controlling asymmetricity of radiative heat transfer in a monolithic absorber/emitter2017

    • 著者名/発表者名
      Asaka Kohiyama, Makoto Shimizu, Hiroo Yugami
    • 学会等名
      ASME Summer Heat Transfer 2017 Conference
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High-Efficiency Solar-Thermophotovoltaic Systems Based on Controlling Unidirectional Radiative Heat Transfer with a Monolithic Absorber/Emitter2017

    • 著者名/発表者名
      Asaka Kohiyama, Makoto Shimizu, Hiroo Yugami
    • 学会等名
      NanoRad2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Solar-Thermophotovoltaic Systems Based on Controlling Unidirectional Radiative Heat Transfer with a Monolithic Absorber/Emitter2017

    • 著者名/発表者名
      Hiroo Yugami, Makoto Shimizu and Asaka Kohiyama
    • 学会等名
      Korea-Japan Joint Symposium
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High Spectral Selectivity Based on A Few Layer Structure for Solar-Thermophotovoltaics2017

    • 著者名/発表者名
      Makoto Shimizu, Etienne Blandre, Asaka Kohiyama, P. Oliver Chapuis, Rodolphe Vaillon, Hiroo Yugami
    • 学会等名
      NanoRad2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 集光太陽光を用いた熱光起電力発電システムの発電試験2017

    • 著者名/発表者名
      小桧山朝華,清水信,湯上浩雄
    • 学会等名
      平成29年度日本太陽エネルギー学会・日本風力エネルギー学会合同研究発表会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Performances of a Few-Layer Metallo-Dielectric Absorber-Emitter for Solar-Thermophotovoltaics2016

    • 著者名/発表者名
      Makoto Shimizu, Asaka Kohiyama, Etienne Blandre, Olivier P. Chapuis, Rodolphe Vaillon, Hiroo Yugami
    • 学会等名
      The Fourth International Forum on Heat Transfer
    • 発表場所
      仙台国際センター
    • 年月日
      2016-11-02
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 熱輸送効率向上による太陽熱光起電力発電システムの高効率化2016

    • 著者名/発表者名
      小桧山朝華,清水信,湯上浩雄
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ,新潟県
    • 年月日
      2016-09-13
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Solar-thermophotovoltaic systems using spectrally selective absorber/emitter based on metal-dielectric multilayer2016

    • 著者名/発表者名
      Asaka Kohiyama, Makoto Shimizu, Hiroo Yugami
    • 学会等名
      SPIE Optics + Photonics for Sustainable Energy
    • 発表場所
      San Diego, USA
    • 年月日
      2016-08-28
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] 熱ふく射スペクトル制御に基づく高効率な太陽熱光起電力発電システムを開発

    • URL

      http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2016/10/press20161025-01.html

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書

URL: 

公開日: 2016-05-17   更新日: 2024-03-26  

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