計算流体力学と伝熱学の融合による熱電発電システム設計

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熱電変換素子を通じた熱伝達により減少する温度差を、熱流体により大きく保ち、熱電発電出力を増強する方策を検討している。従来温度差は一定であると仮定されることが多く、現実の熱電発電量を定量的に予測できなかった。熱電モジュールの両端に向流を流して最適な温度差を定常的に得る一例として、冷却水と高温廃熱風を用い工場廃熱を回収するシステムを設計している。折り返しのある新しい熱流体回路を設計しその出力を予測する計算を行っている。最終的な目標は二重複螺旋型向流発電機として熱電発電を実現するために必要なこの設計に挑戦している。孟は螺旋流と直線的な流れを比較するため、有限要素法でpn対を含むモジュールの熱電現象を表現したモデルを準備し、数値的にその出力を計算した。二つの流れが熱電現象に与える相違はほとんど認められないが、曲率が著しい場合に相違が認められた。均質である熱電素子の内部に高い伝熱部と高い電流密度を有する部分が局在する。電流は湾曲したモジュール内部を3次元空間の直線的に優先して進むのに比べ、熱伝導はz軸に平行に流れるためであった。また、モジュールが傾いているために生じる熱流の進行方向と電流方向の不一致により出力の低下、効率の減少が生じることが分かった。その対策として多角形素子を提案した。一方、鈴木は流体配管を試作して熱流体の挙動を測定し計算機シミュレーションの精度の向上を図った。計算では求めることができない量である熱伝達係数、流体密度、送水圧力などを調べて計算に反映させた。