[論文レビュー] Large-scale Ocean-based or Geothermal Power Plants by Thermoelectric Effects

Liping Liu|arXiv (Cornell University)|May 8, 2012

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、海洋または地熱熱源を用いた大規模な熱電力発電所を提案し、小さな温度差を有する熱源を活用する。層状に積層された熱電材料を用いることで、電力因子を著しく向上させ、発電効率を向上させる。このような発電所が経済的に実現可能であり、スケーラブルであることを示している。特に、波力によって冷却水循環を駆動することで、エネルギーの純コストをゼロに抑えられ、熱帯地域において持続的かつグリーンな電力発電を実現できる。

ABSTRACT

Heat resources of small temperature difference are easily accessible, free and unlimited on earth. Thermoelectric effects provide the technology for converting these heat resources directly into electricity. We present designs of electricity generators based on thermoelectric effects and using heat resources of small temperature difference, e.g., ocean water at different depths and geothermal sources, and conclude that large-scale power plants based on thermoelectric effects are feasible and economically competitive. The key observation is that the power factor of thermoelectric materials, unlike the figure of merit, can be improved by orders of magnitude upon laminating good conductors and good thermoelectric materials. The predicted large-scale power plants based on thermoelectric effects, if validated, will have a global economic and social impact for its scalability, and the renewability, free and unlimited supply of heat resources of small temperature difference on earth.

研究の動機と目的

• 海洋の温度差層や地熱貯留層といった低温度差熱源を用いた大規模な熱電力発電所の実現可能性を示すこと。
• 従来の熱電システムの経済的・スケーラビリティの限界を克服するため、性能係数の最適化から離れて、材料工学的手法による電力因子の向上に焦点を移すこと。
• 波力によって流体循環を駆動するシステムを設計し、エネルギーの純コストをゼロに抑え、持続的かつメンテナンスフリーの電力発電を実現すること。
• 熱源が無料で無限に利用可能である場合、低効率であっても熱電発電機器が競争力のある出力とコスト効率を達成できることを示すこと。

提案手法

• 良好な導体と熱電材料を積層することで、電力因子を数個のオーダー向上させ、従来の性能係数最適化による効率制限を回避する。
• 冷たい深海水を熱電チューブに循環させ、表面水温の上昇によりチューブ壁に温度勾配を生じさせ、電力を発生させる熱電発電機器を設計する。
• 一定の電流密度を維持するためのセグメント化された熱電チューブモデルを採用し、固定された温度差下での体積当たり最大出力に最適化する。
• 円筒チューブ内の層流をモデル化するため、ナビエ＝ストークス方程式を適用し、体積流量および粘性損失を圧力勾配、半径、長さの関数として導出する。
• エネルギー収支と熱収支の式を用いて、チューブに沿った温度変化をモデル化し、チューブ壁を通る熱フラックスと流体の冷却を考慮。出口温度の解析解を導出する。
• 温度差、材料特性、チューブの幾何形状、流量パラメータを関数として総合的電気出力を導出し、チューブに沿う温度の指数関数的減衰を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 海洋の温度差層や地熱貯留層といった無料で無限に利用可能な熱源を用いた大規模な熱電力発電所が、経済的に実現可能かどうか。
• RQ2 導体との積層といった構造的工学的手法によって、熱電材料の電力因子をどの程度向上させられるか。これは、低効率を補うために重要である。
• RQ3 波力を利用して、エネルギーの純コストを負担せずに熱電発電機器の流体循環を駆動できるか。
• RQ4 熱電チューブに沿った温度プロファイルが全体の出力に与える影響は何か。最大出力を得るための最適なセグメント長は何か。
• RQ5 実際の流量および材料パラメータを想定した場合、大規模な海洋熱電発電所の理論的出力はどの程度か。

主な発見

• 良好な導体と熱電材料を積層することで、熱電材料の電力因子を数個のオーダー向上させることができ、性能係数が低くても大規模応用が可能になる。
• 総合的電気出力は $ P_{\rm out} = \frac{P_f \theta^2 l_{\rm tb} L_{\rm tb}}{4t_{\rm tb}} \frac{1 - \text{exp}(-\theta)}{\theta} $ で近似され、$ \theta = \frac{2\theta_{\rm tb}}{L_*} $ である。この式は、材料特性、幾何形状、温度差に依存することを示している。
• 流体の出口温度は $ T(L_0) = T_{\rm ex} + e^{-\theta/2}(T^0 - T_{\rm ex}) $ で与えられ、チューブに沿って指数関数的に冷却されるため、流量や幾何形状を最適化しない限り、最大出力を得ることは困難である。
• 粘性損失は $ P^d = \frac{8\theta L Q^2}{\theta R^4} $ でモデル化され、ポンプ損失が流量の二乗に比例し、最適なパイプ設計によって最小化できることを示している。
• 波力駆動のバルブシステムにより、冷温貯留槽の水位を外部エネルギーを一切使用せずに維持でき、エネルギーの純コストゼロの流体循環が実現可能である。
• 提案された設計は、動く部品がなく、低メンテナンスで、三次元的にスケーラブルであり、持続的かつ信頼性の高いグリーン電力発電を実現する。特に熱帯の海洋地域に適している。