水レンズによる太陽光の集熱型熱電変換

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24656574
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 鈴木 亮輔 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80179275)
• 研究分担者: 木下 博嗣 福島工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (40177895)
• キーワード: 熱電発電 / 太陽光 / 計算機シミュレーション / 伝熱現象 / 熱交換器 / 直流発電 / エネルギー変換 / 出力

研究概要

世界中どこでも簡便に建設できる水レンズを用いて太陽光を集熱し、太陽光の赤外線成分を用いて太陽熱発電を行うために、熱電変換素子を利用して発電する場合を想定した。水レンズが具備すべき要件を計算と実験の両面から明示することが研究の目的である。５０倍に集光する条件探索を目標とし、①一点もしくは直線焦点上に集光する条件、②水レンズに対して斜め入射光を集光する条件、③焦点距離を可変として刻々変化する太陽位置に適合する方策、④焦点に置く受熱板と熱電変換素子の最適条件、を計算結果に基づいて設計し実証した。
平成25年度は計算機を援用した水レンズの設計と計算機実験を行った。まず、設計のため昨年度作成した数学モデルにより数値解を導いた。すなわち、透明シートは張力ベクトルおよび水の自重の釣り合いから保持される。斜め入射光は左右非対称の水中を通過して焦点に集光する。水層の厚さは透明シートの外形によって定まる。よって、①力の釣り合いを調整して、入射光が強く集光する条件と位置と光の強度を定めた。水溜り径と水深の関数として焦点位置を数値解で示した。さらに水レンズが汎用性を具備するために、焦点距離を、透明シートの大きさと引っ張り角度、水量の関数で示した。昨年度の実験結果をより詳細に再現できるモデルが完成した。
②斜め入射を計算したところ、ある条件ではあるが、意外に大きな集光が可能であった。市販のソフトでは十分対応ができず自作の数値解を用いた。
③焦点距離と焦点位置を変えることで太陽の位置の変化に追随する条件を見いだした。南中時の効率が多少悪化するのを我慢すれば、日の出から日没までの間に平均して集光することが可能となった。従来このような対応の出来るレンズは存在しなかった。
④集光位置にたとえば熱電素子を置いた場合にどの程度の発電が期待できるかについて、実際のモジュールの特性を組み込んで検討した。

研究成果

• [雑誌論文] Thermoelectric Analysis for Helical Power Generation Systems (2014)
  • 著者名/発表者名: Xiangning Meng, Takeyuki Fujisaka and Ryosuke O. Suzuki
  • 雑誌名: J. Electron. Mater., 巻: 43 ページ: 1509-1520
  • DOI: 10.1007/s11664-013-2768-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermoelectric Analysis for Pai-type Thermoelectric Module with Tilted Elements (2014)
  • 著者名/発表者名: Xiangning Meng, Takeyuki Fujisaka, Keita O. Ito and Ryosuke O. Suzuki
  • 雑誌名: Materials Research Innovations 巻: 18 Suppl.4 ページ: 未定
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optimization of Module Shape in Thermoelectric Power Generation (2014)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke O. Suzuki and Takeyuki Fujisaka
  • 雑誌名: Key Engineering Materials 巻: 608 ページ: 未定
  • 査読あり
• [雑誌論文] Light-Concentration Characteristic of Water Lens and its Application to Thermoelectric Generation (2014)
  • 著者名/発表者名: Keita O. Ito, Hongtao Sui, Hidetoshi Hakozaki, Hiroshi Kinoshita and Ryosuke O. Suzuki
  • 雑誌名: Key Engineering Materials 巻: 608 ページ: 未定
  • 査読あり
• [雑誌論文] Using water lens for Light Concentration in Thermoelectric Generation (2014)
  • 著者名/発表者名: Keita O. Ito, Hongtao Sui, Hidetoshi Hakozaki, Hiroshi Kinoshita and Ryosuke O. Suzuki
  • 雑誌名: J. Electron. Mater., 巻: 43 ページ: 2086-2093
  • DOI: 10.1007/s11664-013-2965-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design and Numerical Evaluation of Cascade-Type Thermoelectric Modules (2013)
  • 著者名/発表者名: Takeyuki Fujisaka, Hongtao Sui, R. O. Suzuki
  • 雑誌名: J.Electron.Mater. 巻: 42(7) ページ: 1688-1696
  • DOI: 10.1007/s11664-012-2400-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermoelectric Generation Using Water Lenses (2013)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke O. Suzuki, Atsushi Nakagawa, Hongtao Sui, Takeyuki Fujisaka
  • 雑誌名: J. Electron. Mater. 巻: 42 ページ: 1960-1965
  • DOI: 10.1007/s11664-013-2483-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermoelectric properties of n-type Mn3-xCrxSi4Al2 in air (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Funahashi, Y. Matsumura, H. Tanaka, T. Takeuchi, W. Norimatsu, E. Combe, R. O. Suzuki, Y. Wang, C. Wan, S. Katsuyama, M. Kusunoki, and K. Koumoto
  • 雑誌名: J. of Applied Physics, 巻: 112 ページ: 073713
  • DOI: 10.1063/1.4755793
  • 査読あり
• [学会発表] A light-concentration characteristic of the water lens and its application to the thermoelectric generation (2013)
  • 著者名/発表者名: Keita Ito, Hongtao Sui, Xiangning Meng and Ryosuke O. Suzuki
  • 学会等名: 2nd International Symposium on Inorganic and Environmental Materials
  • 発表場所: Universite de Rennes 1, Rennes, France
  • 年月日: 20131027-20131031
• [学会発表] 太陽熱電発電への適用に向けた水レンズの検討 (2013)
  • 著者名/発表者名: 伊藤圭太，箱崎英俊, 木下博嗣, 鈴木亮輔
  • 学会等名: 第十回日本熱電学会学術講演会（TSJ2013)
  • 発表場所: 名古屋大学豊田講堂(名古屋市)
  • 年月日: 20130908-20130909
• [学会発表] Design of TE Generation under a Constant Heat Flux (2013)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke O. Suzuki, Hong Tao Sui, Takeyuki Fujisaka, Keita O. Ito, and Xiangning Meng
  • 学会等名: JST-EPSRC& CREST 4th International Workshop on Thermoelectrics
  • 発表場所: The Westin Resort & Conference Center Awaji Island
  • 年月日: 20130704-20130706
• [学会発表] Simulation of Water Lens to Use for Thermoelectric Generation (2013)
  • 著者名/発表者名: Keita O. Ito, Hidetoshi Hakozaki, Hiroshi Kinoshita, Ryosuke O. Suzuki
  • 学会等名: JST-EPSRC& CREST 4th International Workshop on Thermoelectrics
  • 発表場所: The Westin Resort & Conference Center Awaji Island
  • 年月日: 20130704-20130706
• [学会発表] Optimal Design of Thermoelectric Modules under Solar Radiation (2013)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke O. Suzuki, Takeyuki Fujisaka, Keita O. Ito, Xiangning Meng, Hontao Sui
  • 学会等名: The 32nd International Conference on Thermoelectrics (ICT2013)
  • 発表場所: Kobe International Conference Center, Kobe Japan
  • 年月日: 20130630-20130704
• [学会発表] Light Concentration by Water Lens for Thermoelectric Generation (2013)
  • 著者名/発表者名: Keita O. Ito, Hongtao Sui, and Ryosuke O. Suzuki
  • 学会等名: The 32nd International Conference on Thermoelectrics (ICT2013)
  • 発表場所: Kobe International Conference Center, Kobe Japan
  • 年月日: 20130630-20130704
• [学会発表] 太陽熱利用熱電発電用水レンズの試作と特性評価
  • 著者名/発表者名: 箱崎 英俊、木下博嗣、鈴木亮輔
  • 学会等名: 機械学会 東北支部学生会
  • 発表場所: 一ノ関高専門学校（岩手県）
• [学会発表] 水レンズの集光を利用した熱電発電
  • 著者名/発表者名: 伊藤圭太, 箱崎英俊、木下博嗣、鈴木亮輔
  • 学会等名: 平成25年度日本金属学会・日本鉄鋼協会両北海道支部合同サマーセッション
  • 発表場所: 室蘭工業大学（北海道）
• [備考] 北海道大学大学院工学研究院材料科学部門エコプロセス工学研究室 ホームページ
  • URL: http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/ecopro/
• [備考] 太陽熱発電
  • URL: http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/ecopro/researching.php#solar
• [備考] 研究代表者 鈴木亮輔 個人のページ
  • URL: http://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/ecopro/rosuzuki/index.html