切り紙構造を利用したフレキシブル熱電発電デバイスの開発

利用剪纸结构开发柔性温差发电装置

• 批准号: 22K14198
• 负责人: 寺嶋 真伍
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2027-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14198/
• 关键词: 熱電発電; 切り紙; フレキシブル電子デバイス

8つある研究項目のうち「基板構造の最適化」および「熱電素子形状の最適化」について取り組んだ．具体的には，(1)電気抵抗軽減のため，銅層の厚みを増大させて性能を計測した．さらに，(2)異なる寸法の熱電素子を実装した8種類の巴型熱電発電デバイス（巴型TEG）を作製し，各巴型TEGを立ち上げながら性能計測する実験，および(3)上基板の幅を1mmから13mmまで拡大させながら性能計測する実験を行った．結果として実験(1)では，様々な厚みの銅基板に対して寸法が6×2×1mmの熱電素子を実装した巴型TEGを複数作製し，その電気抵抗を比較した．銅層の厚みが8μmの巴型TEGの電気抵抗は107mΩ/pairであったが，厚みを40 μmまで増大させた場合，60mΩ/pairの電気抵抗となった．また，銅層の厚みを50μm以上に増大させた場合，立ち上げ後の復元力が過大となったため，上限を40μmと定めた．これにより，試作巴型TEGの電気抵抗の43%を削減させることに成功した．実験(2)からは，巴型TEGをフラットな状態から立ち上げていき，熱電素子の片方（低温側）が高温熱源から離れることの効果は非常に大きくなるということが明らかとなった．また，熱電素子のサイズに関しては，熱電素子の幅と厚みを大きくすることは効果が見られなかった一方で，長さを長くすることが大きく貢献することが判明した．実験(3)については，単純に立ち上がった上基板の幅（面積）が大きくなるにつれて発電量が増大するという傾向は示されず，最適値を持つ傾向となった．すなわち，上基板の面積がある値（幅が7mm）を超えて増大した場合は熱電素子内に生じる温度差が小さくなってしまう傾向が見られた．大面積の上基板内にどのような温度分布が生じているのかを解明するため，次年度では数値シミュレーションを用いて上基板の温度分布を明らかにする予定である．

在八个研究项目中，我们致力于“优化底物结构”和“优化热电元素形状”。具体而言，（1）为了降低电阻，增加了铜层的厚度以测量性能。此外，（2）进行了实验，以制造具有不同维度的热电元素的八种类型的Tomoe热电发电设备（Tomoe Teg），并在启动每个Tomoe Teg时测量性能，并（3）实验以衡量衡量1 mm上层板的效果，同时衡量上层板的效果。结果，在实验（1）中，用热电元件制造了多个tomoe teg，尺寸为6 x 2 x 1 mm，用于各种厚度的铜底物，并比较了它们的电阻。厚度为8μm的TomoE TEG的电阻为107mΩ/对，但是当厚度增加到40μm时，电阻为60mΩ/Pair。此外，当铜层的厚度增加到50μm或更多时，启动后的恢复功率过高，因此将上限设置为40μm。这成功将Tomoe Teg原型的电阻降低了43％。实验（2）表明，从平坦的状态开始tomoe型TEG的效果并离开热电元件的一侧（低温侧）远离高温热源非常大。此外，关于热电元件的尺寸，同时增加热电元素的宽度和厚度无效，发现增加长度的贡献很大。关于实验（3），随着上层底物的宽度（面积）增加，没有增加产生的电量的趋势，趋势是具有最佳值。换句话说，当上底物的面积增加一定值（宽度为7 mm）时，热电元内发生的温度差往往较小。为了阐明大区域上部基材内发生了什么样的温度分布，我们计划在下一个财政年度使用数值模拟阐明上底物的温度分布。