| 研究課題/領域番号 |
22K03941
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19020:熱工学関連
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| 研究機関 | 長岡技術科学大学 |
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研究代表者 |
山田 昇 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (90321976)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
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| キーワード | 蓄熱発電 / 発電サイクル / 冷凍サイクル / 熱電変換 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
脱炭素化に向けて再生可能エネルギー電力を安価に貯蔵する技術が求められている。電力を熱に変換して蓄熱し、必要なときに電気に変換する蓄熱発電（カルノーバッテリー）は長寿命であり、低コスト蓄電を実現できる可能性がある。本研究では、発電サイクルと冷凍サイクルを反転できる新規蓄熱発電システムの充放電特性と支配パラメータを解析と実験により解明し、実現可能性を明らかにする。
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| 研究実績の概要 |
脱炭素化に向けて再生可能エネルギーによる発電電力を安価に貯蔵する技術が求められている。電力を熱に変換して蓄熱し、必要なときに電気に変換する蓄熱発電（カルノーバッテリー）は長寿命であり、低コスト蓄電を実現できる可能性がある。
本研究では、発電サイクルと冷凍サイクルを反転できる新規蓄熱発電システムの充放電特性と支配パラメータを解析と実験により解明し、実現可能性を明らかにする。
１年目は新規蓄熱発電システムのコンセプト実証を主たる目的として、発電・冷凍サイクル部に熱電変換モジュールを用いた蓄熱発電システムの基礎実験装置を組み立て、コンセプト通りに充放電動作ができることを実験により確認した。また、システムを等価熱回路に置き換えた解析モデルを構築し、実験装置の各部温度および熱流束等の動的挙動をほぼ再現することに成功した。この解析モデルを用いて設計・制御パラメータがシステム性能および特性に及ぼす影響を詳細に定量把握できる。これらの成果を日本機械学会「熱工学コンファレンス」、日本熱電学会シンポジウムで口頭発表した。さらに、本システムに使用できる蓄熱材料として、固体の相転移を利用した新規材料と熱電変換モジュールを組み合わせた際の各部温度と発電出力の動特性を明らかにした。この成果はJournal of Energy Storage (Impact factor: 8.907)に掲載された。今後はこれらの成果に基づいてさらに解析と実験による探求を進めていく。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
申請時に計画した実施内容をほぼ完遂できたため、おおむね順調に進展していると判断している。とくに解析モデルを構築し、実験結果を再現できたことはシステムの性能を決定づける因子を把握するうえで必須のマイルス―トンである。熱電素子を用いるシステムの主な設計パラメータは、熱電素子仕様（ZT値、熱伝導率、厚さ）、蓄熱部仕様（比熱、潜熱、熱伝導率、厚さ、体積）、熱交換部の構造などだが、これらの影響を定量的に把握できつつある。また、蓄熱材料として近年注目されている固体相転移を利用した材料に着目し、熱電変換モジュールと組み合わせた際の温度と発電出力の挙動を把握できたことも、発展性のあるステップとして評価できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
１年目の成果をベースとして、実験システムの設計・制御パラメータと充放電サイクル特性との関係を抽出する。充放電周期と深度を変えた際の特性の変化を計測し、発電サイクルの熱効率と冷凍サイクルの性能係数を算出する。これらと電流電圧変化との相関を特徴づける。さらに、熱電素子への印可電流電圧と負荷などの制御パラメータをプログラマブルに一元的に制御可能とし、様々な制御パターンで実験を行い、最適化に向けたデータを蓄積する。適宜、実験システムの仕様をアップデートし、拡張性を持たせ、且つ、高精度に実験データを取得できるようにする。
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