국립 선진 산업 과학 기술 연구소 [Nakabachi Ryoji의 회장] (이하 "AIST"라고 불림) 에너지 절약 연구 부서 [연구 부서 책임자 Munakata Tetsuo] 바카라 커뮤니티 전환 그룹 최고 연구원 Ota Michihiro, Yamamoto Jun, 연구 그룹 책임자,Hu Xiaokai전 AIST의 특별 연구원, 외국 방문 연구원, 일본 과학 촉진 협회Jood PriyankaisLEAD Telluride(PBTE)바카라 커뮤니티 전환 재료마그네슘 텔루 라이드 (MGTE)로 만든 소결 바디나노 구조공로의 바카라 커뮤니티 전기 그림ZT= 18 그리고 또한이 자료를 사용하여 11%의 전환 효율이 있습니다바카라 커뮤니티 변환 모듈성공적으로 개발되었습니다
지금까지 바카라 커뮤니티 전환 재료에서ZT8979_9052Kanatzidis Mercouri G미국 교수 (및) 미국 교수 (및) 미국 Argonne에있는 Argonne National Laboratory의 수석 연구원과 함께, 우리는 나노 구조 형성 기술을 사용하여 바카라 커뮤니티 전환 재료를 소결했습니다ZT를 개선하는 데 성공했습니다 18 (550 ° C) 또한,이 MGTE 나노 구조로 형성된 PBTE 소결체에 전기적으로 열적으로 결합되는 전극 재료가 개발되었으며, 바카라 커뮤니티 전환 모듈에서 11% (고온 측에서 600 ℃ 및 10 ℃)의 전환 효율을 달성한다 이 고효율 바카라 커뮤니티 전환 모듈을 사용하여사용되지 않은 열 에너지전기에 활용하십시오
이 기술에 대한 자세한 내용은 Royal Society of Chemicals에서 발행 한 학술 논문 저널에너지 및 환경 과학에 곧 게시 될 예정입니다
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| 그림 1 공로의 바카라 커뮤니티 전기 그림ZT(a), 개발 된 바카라 커뮤니티 변환 재료 (b)의 전송 전자 현미경 사진 및 바카라 커뮤니티 변환 모듈 (c) (d) |
| (a) (b) pbte 소결 몸체에 형성된 나노 구조는 열을 운반Phonon효과적으로 흩어져 10196_10245 |, 전하를 운반하는 운송 업체의 운반에 영향을 미치지 않으면 서ZT(c) 단일 단계 유형 및 (d) 나노 구조를 갖는 PBTE 소결 바디를 사용한 바카라 커뮤니티 전환 모듈 (SEGMER 유형) 바카라 커뮤니티 변환 모듈 |
일본에서는 대부분의 1 차 에너지 (예 : 석유 및 석탄)가 수입에 의존하지만 60% 이상이 사용되지 않으며 열로 폐기됩니다 안정적인 에너지 공급을 달성하고 지속 가능한 사회를 실현하기 위해서는 사용하지 않는 열 에너지의 사용을 촉진해야합니다 주요 기술은 바카라 커뮤니티 생성이며, 바카라 커뮤니티 전환 모듈을 사용함으로써, 폐기되는 낭비되는 사용되지 않는 열 에너지는 매우 유용한 전기 에너지로 회수 될 수 있습니다
이전의ZT= 10 이상의 바카라 커뮤니티 전환 재료를 달성하기가 어려웠지만 지난 몇 년 동안 나노 기술의 사용이 사용되었습니다ZT= 10을 초과하는 바카라 커뮤니티 전환 재료의 박막과 녹은 재료를 개발할 수있었습니다 그러나, 재료 필드의 진보는 바카라 커뮤니티 전환 모듈에 적용되지 않았으며, 결과적으로 일반적으로 이용 가능한 1 단계 바카라 커뮤니티 전환 모듈의 변환 효율은 5%미만이며, 실험실 수준에서 개발되고있는 2 단계 (세그먼트 유형) 바카라 커뮤니티 변환 모듈의 전환 효율은 7%입니다 재료 필드에서 바카라 커뮤니티 전환 모듈에 진행을 적용하기 위해 가공에 유리한 소결 바디를 사용할 것입니다ZT의 개선을 달성하는 것이 필수적입니다
AIST는 바카라 커뮤니티 발전을 통해 사용되지 않는 열 에너지를 활용하기 위해 재료에서 모듈 및 평가 기술에 이르기까지 바카라 커뮤니티 전환 기술과 관련된 광범위한 분야에서 연구 및 개발에 대해 노력하고 있습니다 전 세계에는 이러한 광범위한 영역에 걸쳐 바카라 커뮤니티 전환 기술을 연구하는 기관이 몇 개 밖에 없습니다
지금까지 바카라 커뮤니티 전환 재료에서ZT= 10을 초과하기가 어려웠지만 2000 년대에는 바카라 커뮤니티 전환 물질에서 나노 구조를 형성함으로써 조류가 바카라 커뮤니티도율을 감소시켜 나노 구조의 형성을 초래했습니다ZT극적으로 개선 될 수 있습니다 AIST는 300 ~ 700 ° C 범위의 온도에서, 노스 웨스턴 대학교 및 Argonne National Laboratory와 협력하여 2012 년에 MGTE 나노 구조를 P- 타입 PBTE의 용융 성장 본체에 포함시킬 수있는 바카라 커뮤니티 전환 재료 인 PBTE에 중점을 두었습니다ZT개선 (ZT= 16)이 확인되었습니다 이 연구에서는 더 높은 수준의 나노 구조 형성이 있습니다ZT를 나타내는 소결 바카라 커뮤니티 전환 물질을 개발하고, 바카라 커뮤니티 전환 모듈의 효율을 높이기 위해 비교적 우수한 방식 으로이 나노 구조를 형성 한 바카라 커뮤니티 전환 물질에 전기적으로 바카라 커뮤니티한 전극 재료를 추가로 개발했습니다
이 연구 및 개발은 경제 산업의 위임 프로젝트, "일본-US 에너지 환경 기술 연구 및 표준화 협력 프로젝트 (2010-2013)"및 "일본-US 에너지 기술 개발 협력 프로젝트 (2014)"의 지원으로 수행되었습니다
바카라 커뮤니티 전환 재료에서, 열 흐름은 전기 흐름과 운반 에너지로 변환되므로 전기 전도도가 높고 바카라 커뮤니티도율은 낮다ZT개선 이 연구에는 바카라 커뮤니티 전환 모듈로 처리하는 데 유리한 소결 P 형 PBTE 본체가 있습니다 (수용자)로 성공적으로 포함시켰다 (도 2 (a)) 이 소결 체의 투과 전자 현미경 사진 (도 1 (b))로부터, 약 5 nm의 구형 및 플레이트 형 나노 구조의 형성을 관찰 할 수있다 내장 된 MGTE 나노 구조는 바카라 커뮤니티도율을 감소시키기 위해 포논을 효율적으로 산란시킨다 (도 1 (a)) 반면에 PBTE와 MGTE는 부드러운 인터페이스를 가지고 있으므로 PBTE와 MGTE는밴드 오프셋감소하고 요금이 부과되는 운송 업체의 이동에 영향을 미치지 않습니다 도 2 (b)에 도시 된 바와 같이, 전기 특성에 영향을 미치지 않고 바카라 커뮤니티도율 만 감소시키는 결과로,이 MGTE 나노 구조로 형성된 PBTE 소결체가 얻어진다ZT>>는 550 ° C에서 18로 크게 개선되었습니다 (기존 PBTE의 약 2 배 높음)
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그림 2 개발 된 PBTE (P-Type) 및 N- 타입 MGTE 나노 구조 (A) 및 ZT (B)의 온도 의존성에 사용되는 PBTE 바카라 커뮤니티 전환 재료의 개요
na는 p 유형의 수용자이고 n 유형기증자PBI AS2 |
또한, AIST에 축적 된 바카라 커뮤니티 변환 기술에 기초하여, p- 타입 MgTE 나노 구조를 갖는 PBTE 소결 바디 및 기증자로서 N- 타입 PBTE 소결 바디 (PBI)2)가 사용되고 모양은 그림 2 (a)ZT그림 2 (b))를 사용하여 바카라 커뮤니티 변환 모듈에 대한 개발 및 연구를 수행하는 데 사용되었습니다 (그림 1 (c)) 이 개발 동안, MGTE 나노 구조를 갖는 PBTE 소결 신체와 철 (FE) 및 코발트 (CO)로 제조 된 전극 재료는 전기적으로나 열적으로 비교적 잘 결합된다는 것이 발견되었다 고온이 600 ° C이고 저온면이 30 ° C 인 경우 표 1에서 볼 수 있듯이 매우 효율적인 바카라 커뮤니티 전환 물질과 비교적 우수한 결합을 제공하는 전극 재료를 성공적으로 개발 했으므로 단일 단계 바카라 커뮤니티 전환 모듈의 최대 출력 전력은 355W에 도달하고 88%입니다 여기서, 하나의 바카라 커뮤니티 변환 요소의 크기는 20 mm 길이 x 20 mm 너비 x 28 mm 높이이며, 개발 된 바카라 커뮤니티 변환 모듈은 8 쌍의 PN 요소로 구성됩니다
MGTE 나노 구조를 갖는 PBTE 소결체는 300 ° C ~ 700 ° C의 온도 범위에서 높습니다ZT그러나 반면에 300 ° C 이하ZT더 낮습니다 (그림 2 (b)) 따라서 약 100 ° C 온도에서 높습니다ZT전형적인 Bismuth Telluride (Bi2TE3)를 저온 측의 요소로 사용하여 개발되었습니다 (그림 1 (d)) 저온 측에서 효율이 향상되면, 고온 측이 600 ° C이고 저온면이 10 ° C 인 경우, 최대 출력 전력은 234W에 도달했으며 최대 전환 효율은 11%에 도달했습니다 (표 1) 이 바카라 커뮤니티 전환 모듈은 8 쌍의 PN 요소로 구성되며 PBTE 바카라 커뮤니티 전기 변환 요소 크기는 1 단계 유형 인 BI2TE3바카라 커뮤니티 변환 요소는 길이 x 20 mm에서 폭 x 20 mm 높이 x 20 mm 높이 x 20 mm입니다
상업용 소프트웨어Comsol 다상®을 사용하여 유한 요소 방법에 의해 형성된 MGTE 나노 구조로 PBTE 소결 바디의 바카라 커뮤니티 특성으로부터 시뮬레이션되었다 (그림 3) 표 1에 표시된 바와 같이, 이상적인 바카라 커뮤니티 전환 모듈이 개발 될 수있는 경우, 단일 단계 바카라 커뮤니티 변환 모듈의 경우 122%의 최대 변환 효율, 2 단계 바카라 커뮤니티 전환 모듈의 경우 156% 시뮬레이션 결과의 분석에 따르면 실제 측정 값과 시뮬레이션 값의 차이는 PBTE 소결 본체와 전극 재료 사이의 계면에 존재하는 전기 저항이 여전히 크다는 사실과 방사선과 같은 전력 생성에 기여하지 않는 열 손실이라는 사실 때문입니다 향후 인터페이스에서 전기 저항 및 요소 배열을 향상시킬 수 있다면 효율이 11%보다 크게 커질 가능성이 있습니다
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그림 3 유한 요소 방법을 사용한 시뮬레이션
2 단계 바카라 커뮤니티 전기 변환 모듈의 경우ZT의 분포를 보여줍니다 |
우리는 나노 구조를 갖는 바카라 커뮤니티 전환 재료와 전극 재료 사이의 전기 및 열 결합을 개선하여 출력 전력 및 변환 효율의 추가 개선을 달성 할 것입니다 또한, 개발 된 바카라 커뮤니티 전환 모듈의 장기 내구성 및 기계적 특성을 개선하기위한 연구 및 개발 및 업계의 데모 실험이 수행되며, 목표는 5 년 이내에 실질적으로 사용하는 것입니다 동시에, 독성 요소 납 (PB)은 적은 독성 구리 (Cu)로 대체되며, 희귀 원소 텔 루륨 (TE)은 유황 (들)으로 대체되며, 이는 풍부한 지각이 풍부합니다 이러한 결과를 바탕으로, 우리는 연구 개발을 계속 발전시켜 사용하지 않는 열 에너지의 혁신적인 사용을위한 길을 열고 지속 가능한 사회에 기여할 것입니다