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Fundamentals and Apploications of Thermoelectrics ―Guidepost to Green Society―

熱電変換技術の基礎と応用

―クリーンなエネルギー社会を目指して―

レポート概要

ポイント
新たな発電技術の決定打! 工場排熱から太陽熱、バイク・自動車の排気熱など身近な熱が電気に換える
日本熱電学会作成の2040年まで先を見据えた熱電ロードマップテーマ「熱電科学基礎研究」「材料開発」「デバイス・モジュール」の三分野に「システム」分野も加え、それぞれの動向を各研究機関の技術と共に把握できる成書が堂々完成!

【刊行にあたって】

2011年3月11日、東北〜関東地方の太平洋沖を震源とする地震と津波による未曾有の災害は日本のみならず世界を震撼させました。そして、その後発生した東京電力・福島原子力発電所における一連の事故は、周辺住民に多大な被害をもたらすと同時に、エネルギーをどう確保していくのか真剣に考えなければならない状況に追いやりました。今後、人類は人口増加と発展途上国の経済成長により、電力需要量は急激に増していくと考えられます。
原子力発電の存続について議論が高まっています。原子力発電は使わないに越したことはないが、電力は必要であり、原子力発電に替わる発電手段もないため、仕方がない、という意見が多数と感じます。残念ながら様々な要因により、太陽や風力など自然エネルギーを中心とする新エネルギー技術の普及が遅れていることも事実です。エネルギーのほぼ100%を輸入に頼っている日本こそ、新エネルギー、省エネルギー技術の実用化に向け、研究開発、社会インフラ整備、補助金など全てにおいて世界をリード、新しいエネルギー社会作りに貢献していくべきでしょう。
我々の身の回りは工場、焼却炉、自動車などからの廃熱や太陽熱、地熱と言った自然熱など熱エネルギーで溢れています。このエネルギーは我が国で作り出される国産のエネルギーです。ただ残念ながらそのほとんどは有効利用されていません。本書で主に述べられるゼーベック効果や熱電子放出を用いる熱電発電はこのような未利用エネルギーからの発電を可能にする技術です。また熱電変換は、今後コンピューター冷却や自動車空調などの冷却素子としても期待されています。
本書は様々な分野で研究開発をされている読者に、分野を横断して熱電技術について読んで頂きたいと編集しました。そのため熱電変換に関する技術について基礎学術から材料、応用まで網羅すると同時に、現状から将来へのロードマップ的な内容にもなっております。日本熱電学会では2011年に「熱電科学基礎研究」「材料開発」「デバイス・モジュール」の三分野で熱電変換学術ロードマップを作成しました。これは2040年までの熱電変換の発展について記しております。この内容をより詳細に理解して頂ける書籍に仕上がっていると思います。
最後に、ノーベル平和賞受賞者であるムハメド・ユヌス博士の言葉に、古代、「収入ギャップ」は「筋力」から生まれました。中世、それは「技術力」から生まれました。近代、それは「学力」から生まれました。将来、それは「電力」から生まれます。とあります。まさに電力こそ人類にとって欠かすことのできない「力」であり、先進国だけでなく、発展途上国にも平等に分配されなければなりません。本書に集められた熱電変換技術が近い将来実現し、貴重な電力を生み出す技術として世界中に拡がることを願っております。
(「はじめに」より一部抜粋)

(独)産業技術総合研究所 舟橋良次

レポート詳細

著者一覧

◆編纂
日本熱電学会

◆編集委員長
舟橋良次     (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 主任研究員

◆編集委員(五十音順)
木村 薫     東京大学 大学院新領域創成科学研究科 教授
黒崎 健     大阪大学 大学院工学研究科 環境・エネルギー工学専攻 准教授
竹内恒博     名古屋大学 エコトピア科学研究所 准教授

◆執筆者
舟橋良次 (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 主任研究員
梶川武信 梶川TK事務所;湘南工科大学名誉教授
寺崎一郎 名古屋大学 大学院理学研究科 教授
内田健一 東北大学 金属材料研究所
齊藤英治 東北大学 金属材料研究所 教授
田中耕太郎 芝浦工業大学 機械機能工学科 教授
小椎八重航 (独)理化学研究所 交差相関理論研究チーム 副チームリーダー
竹内恒博 名古屋大学 エコトピア科学研究所 准教授
宮崎 譲 東北大学 大学院工学研究科 応用物理学専攻 准教授
三上祐史 (独)産業技術総合研究所 サステナブルマテリアル研究部門 主任研究員
牟田浩明 大阪大学 大学院工学研究科 環境・エネルギー工学専攻 助教
黒崎 健 大阪大学 大学院工学研究科 環境・エネルギー工学専攻 准教授
山中伸介 大阪大学 大学院工学研究科 環境・エネルギー工学専攻 教授
高畠敏郎 広島大学 大学院先端物質科学研究科 教授
森 孝雄 (独)物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 グループリーダー
黒木和彦 電気通信大学 大学院情報理工学研究科 先進理工学専攻 教授
吉田 隆 名古屋大学 大学院工学研究科 准教授
河本邦仁 名古屋大学 大学院工学研究科 教授
池田輝之 (独)科学技術振興機構 さきがけ研究者;カリフォルニア工科大学 材料科学科 客員研究員
小菅厚子 大阪府立大学 21世紀科学研究機構 ナノ科学・材料研究センター 特別講師(テニュアトラック講師)
岡本範彦 京都大学 大学院工学研究科 助教
乾 晴行 京都大学 大学院工学研究科 教授
高際良樹 東京大学 大学院新領域創成科学研究科 助教
木村 薫 東京大学 大学院新領域創成科学研究科 教授
中村孝則 (株)村田製作所 技術・事業開発本部 次世代技術研究所 研究部 上級研究員
宮崎康次 九州工業大学 大学院工学研究院 機械知能工学研究系 教授
尾崎公洋 (独)産業技術総合研究所 サステナブルマテリアル研究部門 相制御材料研究グループ 研究グループ長
高木健太 (独)産業技術総合研究所 サステナブルマテリアル研究部門 相制御材料研究グループ 研究員
菅野 勉 パナソニック(株) 先端技術研究所 主任研究員
小林 航 筑波大学 数理物質科学研究科 物理学専攻 助教
武田雅敏 長岡技術科学大学 工学部 准教授
新藤尊彦 (株)東芝 電力・社会システム技術開発センター 主査
佐々木恵一 (株)東芝 電力・社会システム技術開発センター 主務
大石高志 (株)東芝 電力・社会システム技術開発センター
高田裕実 (株)東芝 首都圏支社 主務
増井 芽 (株)アクトリー プラントグループ グループ長
堀田善治 東京工業大学 ソリューション研究機構 特任教授
藤田和博 (株)TESニューエナジー 代表取締役社長
松岡保静 (株)NTTドコモ 先進技術研究所 技術士(電気電子部門)
内山直樹 (株)アツミテック 開発部 次長
西野洋一 名古屋工業大学 大学院工学研究科 教授
北城 栄 NECエンジニアリング(株) 基盤テクノロジー事業部 エキスパート
下山淳一 東京大学 大学院工学系研究科 応用化学専攻 准教授

目次

はじめに  舟橋良次

第1章 熱電変換の現在・過去・未来  梶川武信
1 熱電変換技術における発展の波
2 熱電材料の革新と未来
3 熱電変換のビジョンとシステム展開の可能性
4 むすび

第2章 熱電変換の基礎科学
1 熱電変換現象  寺崎一郎
1.1 熱電効果
1.2 性能指数
1.3 物質開発の時代へ
1.4 半導体物理を超えて
1.5 おわりに

2 スピンゼーベック効果と絶縁体を用いた熱電発電  内田健一,齊藤英治
2.1 はじめに
2.2 絶縁体ベース熱電変換素子の試料構造と熱起電力生成メカニズム
2.3 絶縁体におけるスピンゼーベック効果の観測
2.3.1 単結晶Y3Fe5O12/Pt複合構造における縦型スピンゼーベック効果
2.3.2 単結晶LaY3Fe5O12/Pt複合構造における横型スピンゼーベック効果
2.3.3 焼結体絶縁体磁石を用いた熱電変換
2.4 まとめと今後の展望

3 アルカリ金属熱電変換の基礎  田中耕太郎
3.1 作動原理と実際の形状
3.2 発電特性とAMTECの特徴
3.3 最近の性能向上に関する研究
3.3.1 小型細管構造による電極面積増加の方法
3.3.2 電極微細構造によるカソード側電極の改良
3.3.3 作動流体をNa以外とする方法
3.4 応用技術

4 電子構造からみた熱電材料:クーロン相互作用の役割  小椎八重航
4.1 はじめに
4.2 熱電効果の熱力学
4.3 クーロン相互作用と電流のエントロピー
4.4 新しい熱電材料の探索にむけて

5 フォノン分散の特徴から理解される格子熱伝導度低減機構  竹内恒博
5.1 はじめに
5.2 格子熱伝導度の温度依存性
5.3 格子熱伝導度を低減させる指針
5.4 実験による指針の確認
5.5 シミュレーションによる指針の確認
5.6 おわりに

第3章 材料
1 シリサイド  宮崎 譲
1.1 はじめに
1.2 HMSの化学組成と結晶構造
1.3 HMSの電子構造
1.4 14電子則
1.5 HMSの熱電特性
1.6 おわりに―実用化に向けて―

2 ホイスラー合金  三上祐史
2.1 はじめに
2.2 ホイスラー型Fe2VAl合金
2.3 熱電応用に向けた材料開発
2.4 まとめ

3 ハーフホイスラー合金  牟田浩明,黒崎 健,山中伸介
3.1 はじめに
3.2 試料合成
3.3 電気的特性
3.4 熱・機械的特性
3.5 性能指数・まとめ

4 クラスレート化合物  高畠敏郎
4.1 金属間クラスレートの結晶構造
4.2 ラットリングによる格子熱伝導率の抑制
4.3 Ba8Ga16Ge30とBa8Ga16Sn30の電荷キャリア制御
4.4 Ba8Ga16Sn30と置換系の中温領域での優れた熱電変換性能
4.5 まとめ

5 ホウ素系高温熱電変換材料  森 孝雄
5.1 はじめに
5.2 ホウ素系化合物についての導入
5.3 多ホウ化物における低熱伝導率の起源について
5.4 古典的なホウ素系化合物における熱電的性質
5.4.1 ボロンカーバイド(いわゆる"B4C")
5.4.2 ベータボロン(β-B)
5.4.3 ヘキサボライド
5.4.4 RB66
5.5 新規なホウ素系化合物
5.5.1 希土類ホウ炭化物RB17CN、RB22C2N、RB28.5C4
5.5.2 希土類ホウケイ化物RB44Si2
5.6 展望

6 熱電酸化物の物性と電子構造  黒木和彦
6.1 はじめに
6.2 コバルト酸化物および関連するp型物質
6.3 n型熱電酸化物
6.4 おわりに

7 ナノ薄膜構造熱電変換材料  吉田 隆

8 3D超格子SrTiO3バルク材料  河本邦仁
8.1 SrTiO3(STOと略称)のナノ構造化
8.2 STO超格子による巨大熱起電力発生
8.3 ナノ粒子化による熱伝導率の低減
8.4 3D超格子STOセラミックス

9 PbTe基ナノコンポジット材料  池田輝之
9.1 はじめに
9.2 バルクナノコンポジット材料の誕生
9.3 ナノ構造制御
9.3.1 LAST 系
9.3.2 ナノ構造の制御のために
9.4 おわりに

10 酸化物系自然ナノ構造熱電材料  小菅厚子
10.1 はじめに
10.2 ナノチェッカーボード構造酸化物
10.3 ナノ相分離酸化物とマイクロ複合酸化物
10.4 試料の同定と分析
10.5 試料の熱伝導率
10.6 おわりに

11 PBET界面制御による熱電材料の高性能化  岡本範彦,乾 晴行
11.1 はじめに
11.2 チムニーラダー構造
11.3  Mn置換したRu基シリサイドの組織と界面構造
11.4 PBET的特性を示す異相界面の密度と熱電特性

12 13族―遷移金属の擬ギャップ・狭ギャップ系材料  高際良樹,木村 薫
12.1 はじめに
12.2 高い熱電特性を得るための材料探索指針
12.2.1 電子構造と結合性
12.2.2 結晶構造と結合性
12.3 擬ギャップ系材料
12.3.1 材料設計指針
12.3.2 アルミ系正0面体準結晶の熱電特性
12.4 狭ギャップ系材料

13 構造空孔分布制御による熱電材料の高性能化  黒崎 健,牟田浩明,山中伸介
13.1 はじめに
13.2 Ga2Se3における構造空孔の分布状態と熱伝導率の関係
13.3 Cu-Ga-Te三元系化合物の熱電特性
13.4 まとめと結論

第4章 モジュール・デバイス
1 ビア充填型モジュールの開発  中村孝則
1.1 はじめに
1.2 ビア充填型モジュールの特徴
1.3 ビア充填型モジュールの作製
1.3.1 熱電材料
1.3.2 モジュールの作製プロセス
1.4 ビア充填型モジュールの発電特性
1.4.1 モジュールの発電特性の予測
1.4.2 モジュールの外観と発電特性
1.4.3 ビア型モジュールのバリエーション
1.5 おわりに

2 広い温度域で使用可能なカスケードモジュール  舟橋良次
2.1 エネルギー,環境問題
2.2 熱電発電材料
2.3 酸化物熱電モジュール
2.4 カスケード熱電モジュール
2.5 実証試験
2.6 高効率化へ
2.7 まとめ

3 熱電マイクロジェネレーター  宮崎康次
3.1 はじめに
3.2 熱電マイクロジェネレーターの作製プロセス
3.3 低コスト作製プロセス
3.4 ナノ構造薄膜を利用したマイクロジェネレーター
3.5 まとめ

4 微粒子を用いた小型発電モジュール  尾崎公洋,高木健太
4.1 はじめに
4.2 微小球状粒子の接合
4.3 Fe2VAl系合金への適用
4.4 まとめ

5 非対角熱電効果を用いた熱電トランスデューサ  菅野 勉
5.1 はじめに
5.2 非対角熱電効果
5.3 傾斜積層体における非対角熱電効果
5.4 層状酸化物CaxCoO2傾斜エピタキシャル薄膜における非対角熱電効果
5.5 まとめと将来展望

6 熱ダイオード  小林 航
6.1 熱ダイオードとは
6.2 熱ダイオードの原理
6.3 これからの熱ダイオード
6.4 おわりに

7 フレキシブル熱電変換素子  武田雅敏
7.1 はじめに
7.2 薄膜を利用した熱電変換素子
7.3 フレキシブル熱電変換素子
7.3.1 基本構造
7.3.2 シミュレーションによる特性予測
7.3.3 素子の試作と発電特性
7.4 おわりに

第5章 システム
1 未利用の排熱を有効に使う熱電発電システム  新藤尊彦,佐々木恵一,大石高志,高田裕実
1.1 まえがき
1.2 熱電発電システムの基本構成と設計フローの概略
1.3 熱電発電システムの発電部の基本構成と熱電変換モジュール
1.4 熱電発電システムの特徴と変換効率
1.5 熱電発電システムの適用例
1.6 熱電発電システムの長期信頼性
1.7 あとがき

2 産業廃棄物焼却炉における熱電発電実証  増井 芽
2.1 はじめに
2.2 産業廃棄物焼却施設における発電の課題と熱電発電の位置付け
2.2.1 温水を利用した発電技術
2.2.2 温風を利用した発電技術
2.2.3 蒸気を利用した発電技術
2.2.4 その他の熱媒体を利用した発電技術
2.2.5 直接排ガスを利用した発電技術
2.3 産業廃棄物焼却炉における熱電発電を妨げる要因

3 太陽熱利用熱電発電システム  堀田善治
3.1 はじめに
3.2 熱電モジュールによる太陽エネルギーの直接熱電変換
3.3 熱電モジュールの太陽熱活用海水淡水化プロセスへの適用
3.4 おわりに

4 排熱利用の熱供給システム  藤田和博
4.1 はじめに
4.2 カスケードユニット
4.3 ACPユニットの評価
4.4 CPユニットの評価
4.5 発電鍋
4.6 まとめ

5 熱電供給型太陽エネルギー利用システム  松岡保静
5.1 はじめに
5.2 太陽光の集光技術
5.3 熱電供給型太陽光発電システム
5.3.1 太陽電池の特徴
5.3.2 発電モジュールの構造
5.3.3 水循環システム
5.3.4 サンプルモジュール
5.4 原理検証
5.4.1 モジュールの発電電力
5.4.2 内部温水の温度上昇
5.5 考察
5.6 あとがき

6 バイク・自動車への熱電発電の応用  内山直樹,三上祐史,西野洋一
6.1 はじめに
6.2 ホイスラー型Fe2VAl合金のバイク・自動車への応用に向けた研究開発
6.2.2 ホイスラー型Fe2VAl合金
6.2.3 Fe2VAl熱電モジュールの開発
6.3 バイク・自動車における熱電発電の現状と将来
6.3.1 バイク・自動車における廃熱
6.3.2 Fe2VAl熱電モジュールの実車搭載による発電試験
6.3.3 バイク・自動車への熱電発電の応用に向けて

7 電子システムの冷却技術と熱電冷却の応用  北城 栄
7.1 まえがき
7.2 冷却技術の動向
7.3 冷却技術の種類
7.3.1 冷却技術の分類
7.3.2 空冷
7.3.3 液冷
7.3.4 相変化冷却
7.3.5 冷凍冷却
7.3.6 熱電冷却
7.4 熱電デバイスの冷却への応用
7.4.1 ペルチェ素子冷却の概要
7.4.2 ペルチェ素子の特性
7.4.3 光通信用レーザダイオード冷却への応用
7.4.4 ペルチェ素子冷却の今後の展望
7.5 あとがき

8 超伝導技術と熱電変換技術  下山淳一
8.1 超伝導物質
8.2 超伝導機器の冷却方法
8.3 超伝導応用への熱電材料導入の可能性と期待
8.4 まとめ

第6章 熱電変換技術によるクリーンエネルギー社会へのインパクト
    ―熱電ロードマップ―  河本邦仁

1 「太陽エネルギー社会」の実現に向けて
2 熱電ロードマップ
2.1 熱電科学基礎研究
2.2 材料開発
2.3 デバイス・モジュール(熱電発電)

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発刊日

2011/11/16

体裁

B5 / 251ページ

販売価格

71,280 円
(本体66,000円 消費税5,280円)

発行

株式会社シーエムシー出版

関連カテゴリ

エネルギー・環境(その他)

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