単脚Nを埋設した熱電コンクリートレンガの製作と熱電変換

Jun 02, 2023

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熱電デバイスの効率を向上させるために、断熱材による熱損失の低減と多層構造による熱界面抵抗の効果を調査するために、内部に単脚n型CaMnO3熱電モジュールを使用して熱電コンクリートレンガを製作しました。 CaMnO3 熱電材料は、出発材料 CaCO3 と MnO2 によって合成され、ユニレッグ n 型 CaMnO3 モジュールを生成しました。熱電コンクリートれんがは、I層れんが（1層のコンクリート断熱材）とIII層れんが（3層の異なるコンクリート断熱材）の2種類で構成されています。 CaMnO3 モジュールと熱電コンクリートレンガに発生する温度差、電流、電圧を閉回路と開回路で測定しました。 100℃、200℃、400℃の一定温度を印加した際の温度差、熱分布、出力電圧を測定しました。実験結果と比較するために、有限要素法 (FEM) のコンピューターシミュレーションが実行されました。実験とコンピュータシミュレーションからの温度差と出力電圧の傾向はよく一致しました。高温側温度200℃における温度差の結果では、III層れんが172℃、I層れんが132℃の両タイプとも、熱電コンクリートれんがの鉛直方向に温度差が見られました。 Cは108℃のコンクリート断熱材を使用しないCaMnO3 TEGモジュールよりも大きい。 III 層れんがタイプの熱電コンクリートれんが 27.70 mV は、I 層れんがの 26.57 mV および断熱コンクリート絶縁体を使用しない CaMnO3 TEG モジュールの 24.35 mV よりも高い出力電圧結果を示しました。 III 層れんがタイプの熱電コンクリートれんがは、I 層れんがや CaMnO3 TEG モジュールよりも高い発電電力を示しました。さらに、この結果は、III 層レンガモデルにおける熱電コンクリートレンガが温度差に基づいて発電できることを示しました。ユニレッグ n 型 CaMnO3 モジュール 120 個の直並列結合回路を覆う I 層コンクリートの TEG コンクリートれんがを構築し、炉の外面に埋め込みました。コンクリートレンガの高温側の最高温度が 580 °C のとき、レンガの高温側と低温側の温度差は 365 °C で発生し、最大出力電圧は 581.7 mV が得られました。

熱電発電機 (TEG) は、熱エネルギーから直接電力を生成するデバイスです。 TEG の利点は汚染がなく、静粛性が高いため、機械的に部品を動かしたり、化学反応を起こさずに動作することができます1。 TEG の用途には、宇宙や遠隔地での発電、自動車や産業での廃熱回収、マイクロエレクトロニクスとセンサー 2、バイオマスストーブ 3,4、太陽熱電発電機 (STEG)5、繊維 6、塗料 7、ウェアラブル熱電装置 8,9,10,11 が含まれます。。

TEG の熱電変換効率 (η) は、次の式 \( \eta = \frac{P}{{\dot{Q}_{h} }}\)12: TEG 効率も材料性能指数の形で計算されます 13:

ここで、ZT は無次元の性能指数です。 \(T_{H}\) と \(T_{C}\) は、それぞれ高温側と低温側の温度です。式に示すように (1) のように、TEG モジュールの効率は ZT と TEG 動作中に維持される温度差に依存します。過去 20 年間にわたって、熱電 (TE) 材料の ZT 性能の向上には大きな進歩がありました。ただし、TEG モジュールの構造、熱損失、電気損失の最適化が効果的でないため、TE モジュールの性能は理論効率よりも大幅に低くなります13。

断熱材の充填による熱損失の低減は、モジュールのTEG効率を向上させるというよりも、モジュールの高温差を維持するアプローチとして期待されます。最近、Song et al.1 は、空気、エアロゲル、Min-K、およびグラスファイバーを断熱材充填材として使用して、TEG モジュールからの熱損失を低減する数学的および実験的結果を報告しました。断熱材としてエアロゲルを充填してモジュールを覆うことで、効率が 8.225% 向上します。 Lee et al.14 は、温度差を維持し、模擬太陽光から微量の電力を生成するために、コンクリート試験片と冷却シンクの表面に TEG モジュールを設置しました。 Whalen ら 15 は、メキシコの土壌層を通る日中の熱流から平均 1.1 mW の電力を生成するテルル化ビスマス熱電対列とエアロゲル断熱材を構築しました。この出力範囲は化学電池と競合します。 Wu ら 16 は、舗装構造全体の温度勾配から電力を生成するエネルギーハーベスティングシステムを構築しています。多層断熱材 (MLI) は、数ミリメートルの厚さの断熱材全体で何百もの温度勾配を維持できる高反射金属と低熱伝導性スペーサーでコーティングされた複数のカプトン箔であり、1950 年に宇宙ミッション用に導入されました 17。 Gallegos et al.18 Report Computationalセラミック炉の空気層を含む多層壁における共役熱伝達の流体力学 (CFD) 解析。その結果、4 つの隔壁を備えた厚さ 10 cm の空気層は、同じ厚さの単一の空気層と比較して、壁を通過する熱流束の約 44% を低減することを示しています。断熱材を充填した多層鉄筋コンクリートスラブは実用化されており、世界中で広く使用されています。いくつかの数値研究 19,20 では、多層壁を備えた建物によるエネルギー消費量の大幅な削減が報告されています。さまざまなコンピューターシミュレーション研究では、実験と非常によく一致しています 21、22、23、24、25。

電力容量は約 200 mV/K で広く使用されているため、TEG モジュールの数百レグを直列回路として組み合わせて TEG の出力電圧を昇圧することが必須になります 26,27。しかしながら、従来のｐ／ｎ型モジュール構造は製造が複雑である。 p/n 型モジュール構造は、TE モジュールの内部抵抗を引き起こすいくつかの接合点を作成します26。 TEG の一般的な動作環境には温度変動 28 が伴い、これにより TEG 構造の p 型レッグと n 型レッグ間の熱膨張の不一致も引き起こされます 28、29、30。 TEG モジュールのユニレッグ構造は製造が容易な構造を提供し、この熱膨張の不一致も軽減します。さらに、この構造により優れた機械的強度が得られ、TEG モジュールの寿命が長くなります29。 p/n 型 TEG 構造は、異なる互換性のない ZT 値で動作する可能性があり、TEG モジュールの全体的なパフォーマンスに悪影響を及ぼします。

酸化物およびペロブスカイト TE 材料には、最先端の TE 材料に比べて多くの利点があります。安くて豊富な要素です。熱的および化学的安定性が高いため、特別なコーティングなしで空気中で使用できます。 TE 酸化物の多用途な化学的特性と複雑な構造により、その構造を簡単に変更できます。 CaMnO3 化合物はよく知られたペロブスカイト TE 材料です。前駆体、合成プロセス、および微細構造に応じて、CaMnO3 の電気伝導率は室温で 10-2 ～ 6.3 S/cm の範囲になります 6。

ここで、この論文は、一層の断熱材と多層の断熱材を使用して、より高い温度差を得てTEGモジュールの効率を向上させる熱損失の低減効果を調査することを目的としています。断熱材を使用した熱損失の削減の概念と、熱電素子を使用してコンクリート壁からの熱損失を直接変換して発電する概念の組み合わせを証明するために、TEG モジュールを覆う断熱材としてコンクリートを使用しました。断熱材のないユニレッグ n 型 CaMnO3 TEG モジュールを対照サンプルとして測定しました。コンクリートレンガに埋め込んだ TEG モジュールは、n 型 CaMnO3 TEG モジュールのユニレッグ構造 (ユニレッグ n 型 CaMnO3 モジュールと呼ぶ) を使用して作製しました。 CaMnO3 モジュールは、CaCO3 と MnO2 を出発原料として固相反応法により合成されました。ユニレッグ n 型 CaMnO3 モジュールを覆う断熱材は、さまざまな層の断熱コンクリートを使用して 2 つのレンガ型モデルに製造されました。1) 1 層の断熱コンクリート (I 層レンガと呼ばれます) と 2) 3 層の断熱コンクリートコンクリート（III層レンガと呼ばれます）。有限要素法 (FEM) のコンピューターシミュレーションを使用して、熱電コンクリートレンガの性能を最適化しました。一定温度を適用したときの断熱材のないCaMnO3 TEGモジュールと2種類の熱電コンクリートレンガの両方の熱分布を調査した。一定温度を適用したときの熱的および電気的挙動も、閉回路測定と開回路測定の両方で研究されました。

CaMnO3サンプルのXRDパターンを補足情報に示します（図S1）。 XRD パターンは、JCPDS# 89-0666 ファイルに対応する、CaMnO3 化合物のペロブスカイト構造の構造相を示しました。これにより、CaMnO3 サンプルがペロブスカイト構造 CaMnO3 相を形成していることが確認されました。リートベルト精密化 (適合度 1.14) に基づいて、CaMnO3 の結晶サイズの計算値は 2.78 μm、格子歪みの計算値は 0.022% でした。さらに、CaMnO3 サンプルを使用して、熱電コンクリートレンガ用の単脚 TEG モジュールを製造しました。

CaMnO3 サンプルの SEM 分析と EDS マッピングは補足情報に示されています (図 S2)。補足情報の焼結CaMnO3サンプルのSEM画像（図S2a）は、約1〜3μmのサイズで変化する広範囲のサイズ分布を示しました。補足情報のEDS（図S2b）は、CaMnO3の形成相構造の指標としてCa、Mn、およびO原子を提示することによって結果を示しています。補足情報（図S2c）のCaMnO3粉末のEDSマッピングは、粉末表面上のCa、Mn、O、およびC原子の均一な元素分布を示しています。 CaMnO3 サンプルの粉末表面上の Ca、Mn、O、および C 原子の元素分布は、Ca:Mn:O:C の重量%比で 24.74%:38.57%:30.73%:5.96%、および 16.52%:18.79 でした。 Ca:Mn:O:Cの原子%比は、それぞれ%:51.41%:13.28%。重量%比と原子%比の実験結果は両方とも参考文献30、31とほぼ一致しています。

図 1 は、CaMnO3 サンプルの実験による熱伝導率、ゼーベック係数、および電気伝導率を 300 ～ 600 K の温度範囲間の温度の関数として示し、各データに対応する近似曲線を示します。実験データと近似曲線は、ゼーベック係数、電気伝導率、熱伝導率の温度依存性の挙動を確認します。図1aによれば、サンプルの熱伝導率は、300〜600Kの温度範囲で0.65〜0.85W/mKの範囲でした。熱伝導率の値は、温度が上昇するにつれてわずかに増加しました。熱伝導率に対応する近似曲線は、熱伝導率の正の温度依存性挙動を確認します。図1bによれば、ゼーベック係数の値は負の符号を示し、材料のn型導体（電子が主要なキャリア）であることを示唆しています。ゼーベック係数の値は、300 ～ 600 K の温度範囲で - 520 ～ - 457 μV/K の範囲でした。ゼーベック係数の絶対値は、温度の上昇とともに減少しました。ゼーベック係数に対応する近似曲線は、ゼーベック係数の正の温度依存性挙動を確認します。この傾向は、半導体の挙動と CaMnO3 サンプルのキャリア濃度が低いことを示しています 31。図1cによれば、300〜600Kの温度範囲において、導電率値は100〜200S/mの範囲で示されました。値は、温度の上昇とともに増加しました。電気伝導率に対応する適合曲線は、電気伝導率の正の温度依存性挙動を裏付けています。

CaMnO3 サンプルの熱電特性: (a) 熱伝導率、(b) ゼーベック係数、(c) 電気伝導率、(d) 力率 (PF)、および (e) 温度の関数としての性能指数 (ZT)。

計算された力率（PF）と性能指数（ZT）は、それぞれ図1dとeに示すように、300〜600Kの温度範囲でのCaMnO3サンプルの実験的熱伝導率、ゼーベック係数、および電気伝導率に対応します。。図1dによれば、PF値は300〜600Kの温度範囲で29〜50μW/(mK2)の範囲で示されました。図1eによれば、ZT値は0.012〜600Kの範囲で示されました。 300 ～ 600 K の温度範囲では 0.025 でした。PF と ZT の値は両方とも、温度が上昇するにつれて増加しました。計算された PF と ZT に対応する近似曲線は、300 ～ 600 K の温度範囲での PF と ZT の正の温度依存性挙動を確認します。

熱電ロッドは、図に示すように、CaMaO3 粉末を半自律機械で冷却プレスして直径 1.0 cm、垂直高さ 2.0 cm のロッドにし、電気炉を使用して 1100 °C の温度で 12 時間焼結して作製しました。 2. 断熱材のないユニレッグ CaMnO3 TEG モジュールを図 3a に示します。耐熱電線である電線に電気特性測定用の上下のアルミニウム電極を接続した。熱電エネルギー変換のために、図3bに示すように、TEGモジュールの下側をホットプレートで加熱しました。

CaMnO3 ロッド。

断熱コンクリートを使用して熱電コンクリートレンガを製造しました。この工事で使用するセメントモルタルはCAST 11 LW、CAST 13 LW、CAST 15 LWの3種類です。商業供給者から提供された CAST 11 LW、CAST 13 LW、および CAST 15 LW セメントモルタルの化学組成は、補足情報 (表 S1) に示されています。 CAST 11 LW、CAST 13 LW、およびCAST 15 LWセメントモルタルのXRDパターンを補足情報に示します（図S3）。サンプルの特徴的なピークは、Ca(OH)232,33,34、Ca2H0.60O4.30Si35,36、Ca6H2O13Si337,38、SiO239 にインデックス付けされました。補足情報 (表 S2) に示すように、400 ～ 1000 °C の温度範囲における CAST 11 LW、CAST 13 LW、および CAST 15 LW セメントモルタルの熱伝導率は温度に依存します。

CAST 11 LW、CAST 13 LW、および CAST 15 LW は、炉の断熱材として一般的に使用されます。補足情報（表 S2）に示すように、400 ～ 1000 の温度範囲で 11 LW、CAST 13 LW、および CAST 15 LW の熱伝導率は 0.25 ～ 0.63 W/m·K です。 .4は(1)I層煉瓦と(2)III層煉瓦の2種類で製作した。熱損失を最大限に低減するために、CAST 11 LW (最も低い熱伝導率値) が I 層レンガで製造されました。図 4b は、断熱コンクリートに CAST 11 LW セメントモルタルを使用し、レンガ内部にユニレッグ n 型 CaMnO3 TEG モジュールを備えた I 層レンガタイプの熱電コンクリートレンガの概略図を示しています。当社のIII層レンガは、異なる種類のコンクリートを3層重ねて構成されています。 III層れんがのTEGモジュールの垂直方向に沿った熱損失の低減を高め、温度差を大きくするために、当社の3層コンクリートは、(1)最下層で熱を遮断し、(2)最上層で熱を放出するように設計されています。、(3) 中間層の接触部に熱界面抵抗が発生します。 TEG モジュールの下側で最も高い熱ブロックを得るために、CAST 11 LW (最も低い熱伝導率) が IIII 層レンガの最初の層 (熱源に最も近い層) に製造されました。（1）1層目と2層目、（2）2層目と3層目の間に熱界面抵抗を発生させるため、2層目（中間層）としてCAST 13 LW（熱伝導率の中間値）を作製しました。最後に、モジュールの冷却側で最も高い熱放出を記録するために、CAST 15 LW (最も高い熱伝導率値) が IIII 層レンガの 3 層目 (上層) として製造されました。図4cは、断熱コンクリート用にCAST 11 LW、CAST 13 LW、およびCAST 15 LWセメントモルタルを使用し、レンガ内部にユニレッグn型CaMnO3 TEGモジュールを備えたIII層レンガタイプの熱電コンクリートレンガの概略図を示しています。。

(a) ユニレッグ n 型 CaMnO3 TEG モジュールと (b) 熱源 (ホットプレート) で加熱されたユニレッグ n 型 CaMnO3 TEG モジュールの概略図

熱電コンクリートレンガのコンピューターシミュレーションである Multiphysics® ソフトウェアは、COMSOL Multiphysics v.5.5 ソフトウェア 40 に組み込まれた有限要素法 (FEM) であり、熱電モジュールの熱的および電気的挙動をシミュレートするために使用されました。 FEMシミュレーションで使用する支配方程式は補足情報に示します。

断熱材のない TEG モジュールと熱電コンクリートれんがの I 層れんがタイプの計算モデルを図 5 に示します。CaMnO3 TEG モジュールは、直径 10.0 mm の n 型 CaMnO3 の円筒片で構成されていました。縦の長さは２０．０ｍｍである。 CaMnO3 TEG モジュールの上下を 20.0 mm × 20.0 mm × 10.0 mm のサイズのアルミニウム電極で接触させました。 CaMnO3 TEG モジュールのベース位置の熱源としてホットプレートを使用しました。 CaMnO3 TEG モジュールの高温側 (TH) の自由電子は、低温側 (TC) の自由電子よりも高い運動エネルギーを持っていました。その後、電子はTHからTCに向かって拡散します。高温と低温の温度差 (dT = TH-TC) による CaMnO3 ピースの垂直方向に沿った負電荷と正電荷の濃度差により、電位差 (dV) が発生しました。この現象は、熱電効果としてゼーベック効果、ペルチェ効果、トムソン効果で説明できます。 I 層レンガタイプの熱電コンクリートレンガは、CAST 11 LW コンクリート 1 層のレンガ内に CaMnO3 TEG モジュールを内蔵したもので、サイズは 20.0 cm × 20.0 cm × 4.5 cm でした。図5aは、断熱材モデルと熱電コンクリートレンガモデルのI層レンガタイプを使用しないTEGモジュールのシミュレーションに使用される幾何学モデルの概略図を示しています。図5bは、断熱材モデルと熱電コンクリートレンガモデルのI層レンガタイプのないTEGモジュールのシミュレーションに使用されたモデルの有限要素メッシュを示しています。 TEG モジュールの温度境界条件と潜在的境界条件は空気で覆われていました。そして、熱電コンクリートレンガモデルの I 層レンガタイプは CAST 11 LW コンクリートで覆われていました。コンピュータシミュレーションモデルの初期条件は、室温、初期時の電位ゼロです。モデルの境界条件は、図5cに示すように、断熱材モデルのないTEGモジュールの下側と熱電コンクリートレンガモデルのI層レンガタイプの下側の一定のより高い温度で構成されます。図5dに示すように、TEGモジュールと熱電コンクリートレンガの高温側の電位境界条件はゼロ電位（接地）に設定されました。熱電流は熱源のみから TEG モジュールに流入し、上部電極で TEG モジュールから流出していました。 CaMnO3 TEG モジュールのシミュレーションには、熱伝導、熱対流、熱放射が含まれています。材料接触による電気抵抗は無視されました。

(a) コンクリート内部に単脚 CaMnO3 TEG モジュールを含む熱電コンクリートれんが、(b) I 層れんがタイプ (CAST 11 LW)、および (c) III 層れんがタイプ (CAST 11 LW、CAST 13) の概略図LW、およびキャスト 15 LW)。

熱電コンクリートレンガのIII層レンガタイプの計算モデルは、CAST 11 LW、CASTの3層のレンガ内のCaMnO3 TEGモジュールであるIII層レンガモデルの形状を表示するものとして図6aに示されています。 13 LW、および CAST 15 LW コンクリート。図 6b は、III 層レンガモデルの有限要素メッシュを示しています。コンピュータシミュレーションモデルの初期条件は、室温、初期時の電位ゼロです。図6cとdは、熱電コンクリートレンガのIII層レンガタイプのコンピュータシミュレーションモデルで使用される温度境界条件とポテンシャル境界条件を示しています。

COMSOL Multiphysics v.5.5 ソフトウェア (https://www.comsol.com) を使用した TEG モジュールと熱電コンクリートレンガの I 層レンガタイプの計算モデル (https://www.comsol.com) 40: (a) 形状モデルの概略図、(b)シミュレーションモデルの有限要素メッシュ、およびシミュレーションモデルのモデルの境界条件、(c) 一定の高温温度、および (d) TEG モジュールと熱電コンクリートの高温側の電位境界条件。

境界条件で前述したように、コンピューターシミュレーションでは、TEG モジュールの下側、または I 層および III 層ブリックの TEG モジュールで、より高温の温度と接地 (V = 0) 電位が割り当てられました。補足情報（図S4）に示すように、温度、温度表面、出力電圧のコンピュータシミュレーション結果は、割り当てられた境界条件とよく一致しています。

−20〜650℃の温度範囲の熱画像カメラ（Keysight Technologies、U5856A）を使用して、断熱材なしのCaMnO3 TEGモジュールと、I層レンガタイプとIII層レンガタイプの熱電コンクリートレンガの赤外線熱分布を記録しました。高温側温度 100、200、および 400 °C での - 層レンガの結果を図 7 に示します。断熱材のない TEG モジュールの結果は、より高温を適用した場合、モジュール内部の垂直方向に沿って小さな温度差を示しています。 100℃。 200 °C および 400 °C の高温を適用した結果は、TEG モジュールに沿って高温になっていることがわかりました。 I 層レンガは、100 ℃と 200 ℃の高温では温度差を示しましたが、400 ℃の高温では TEG モジュールに沿って高温を示しました。 III 層レンガの結果は、100、200、および 400 °C の垂直方向に沿った TEG モジュール内の温度差を示しました。 100 °C および 200 °C の高温を適用すると、熱のほとんどがレンガの高温側近くに閉じ込められます。結果は、I層およびIII層レンガに沿った被覆温度が、温度差を維持するために断熱材のないTEGモジュールよりも効果的であることを示しました。

COMSOL Multiphysics v.5.5 ソフトウェア (https://www.comsol.com) を使用した TEG モジュールと熱電コンクリートれんがの III 層れんがタイプの計算モデル 40(a) 幾何学モデルの概略図、(b) 有限シミュレーションモデルの要素メッシュ、およびシミュレーションモデルのモデルの境界条件、(c) 一定の高温温度、および (d) TEG モジュールと熱電コンクリートの高温側の電位境界条件。

図 8 は、CaMnO3 TEG モジュールと熱電コンクリートレンガ上の熱分布を示しています。絶縁体、I層レンガ、III層レンガのないCaMnO3 TEGモジュールの熱分布画像をそれぞれ図8a、b、cに示します。 200 °C の一定の高温を適用したときの CaMnO3 TEG モジュールと断熱コンクリートの熱特性を赤外線カメラで記録しました。シミュレーションを検証するために、FEM の結果が赤外線画像と比較されました。 200℃の一定の高温を適用した時間依存FEMシミュレーションからの熱分布画像を図8d、e、fに示します。すべての実験結果と FEM シミュレーション結果は、垂直方向に沿って温度が低下することを示しています。図 8a と図 8d は、断熱材のない CaMnO3 TEG モジュールの熱分布画像を示しています。 IR 画像は、高温がモジュールの垂直方向に沿ってすべての部分を覆っていることを示しています。この結果は、断熱材のないモジュール周囲の高温によって示される FEM シミュレーションによっても確認されます。図 8b と e は、I 層レンガ内の CaMnO3 TEG モジュールの実験およびコンピュータシミュレーションの熱分布画像を示しています。どちらの結果も、モジュール内と覆われた断熱材の両方で垂直方向に沿った温度勾配を示しています。図8cとfは、IR画像とコンピュータシミュレーションによるIII層レンガ内部のTEGモジュールの熱分布画像を示しています。どちらの結果も、モジュール内と覆われた断熱材の両方で垂直方向に沿った小さな温度勾配を示しています。

(a) 断熱材なしの CaMnO3 TEG モジュール、(b) 熱電コンクリートレンガ、Keysight Technologies、U5856A (https://www.keysight.com/) を使用した IR カメラ画像、(c) CaMnO3 TEG モジュール、および(d、e) ホット側温度 100 °C を適用した場合の I 層レンガタイプおよび III 層レンガタイプの熱電コンクリートレンガ、(d – f) 温度 200 °C の場合、(g – i) 400 °C の温度の場合。

CaMnO3 TEG モジュールと I 層および III 層レンガの TEG モジュールの電気変換を、開回路と閉回路の両方で測定しました。断熱材のないTEGモジュールについては、TEGモジュールの下面をホットプレートで加熱した。高温側の温度 (TH) と低温側の温度 (TC) は、それぞれモジュールの下側と上側にタイプ K 熱電対プローブを備えたマルチメーターを使用して測定されました。 I層およびIII層レンガのTEGモジュールの場合、熱電コンクリートレンガの下側をホットプレートで加熱しました。高温側温度 (TH) と低温側温度 (TC) は、それぞれ熱電コンクリートレンガの下側と上側に K 型熱電対プローブを備えたマルチメーターを使用して測定されました。より高い温度とより低い温度の間の温度差 (dT) は、dT = TH−TC から計算されました。断熱材のないTEGモジュールとI層およびIII層レンガのTEGモジュールを電線と上下のアルミニウム電極で接続し、電圧と電流を測定しました。開回路測定では、図9a、b、dに示すように、モジュールの下部電極と上部電極間の出力電圧をマルチメーターを使用して測定しました。内部抵抗もマルチメーターを使用して測定しました。閉回路測定の場合、図9cに示すように、外部電気抵抗が回路に接続されました。出力電圧はマルチメーターを使用して測定しました。出力電流もマルチメーターを使用して測定しました。すべての測定データはデータロガーソフトウェアを使用して記録されました。開回路測定では、温度差 (dT) に対する出力電圧 (dV) を実行して、熱電デバイスの開回路電圧を説明しました。 100、200、および 400 °C の一定の高温における熱電デバイスの電気特性も測定されました。閉回路測定では、熱電デバイスの電気的特性が IV 曲線と IP 曲線から特性評価されました。

断熱材のないCaMnO3 TEGモジュールと、I層れんがタイプおよびIII層れんがタイプの熱電コンクリートれんがの、高温側温度200℃を適用したときの熱分布画像：（a〜c）実験結果Keysight Technologies、U5856A (https://www.keysight.com/) を使用した赤外線画像、および (d–f) COMSOL Multiphysics v.5.5 ソフトウェア (https://www.comsol.com) を使用した FEM シミュレーションからの計算結果) 40

図10に示すように、断熱材なしのTEGモジュール、I層れんがのモジュール、III層れんがのモジュールの発生出力電圧は、温度差に対して線形に変化しました。 TEG の開放電圧を表す関係 \(\Delta V = 0.26\Delta T,\)\(\Delta V = 0.37\Delta T\) および \(\Delta V = 0.50\Delta T\) を取得しました。それぞれ断熱材なしのモジュール、I層レンガのモジュール、III層レンガのモジュールです。

(a, b) TEG モジュールの開回路測定の概略図、(c) TEG モジュールの閉回路測定の概略図、(d) 熱電コンクリートれんが（I 層および III 層れんが）の実験装置種類）。

CaMnO3 TEGモジュールと熱電コンクリートれんがのI層れんがタイプとIII層れんがタイプの高温200℃における開回路測定の実験結果を図11に示します。実験結果からの時間の関数としての冷却温度と冷却温度を図11aに示します。実験の熱源として、温度制御ホットプレートを室温から開始して、より高温の目標温度である 200 °C に達するまで加熱しました。図11aに示すように、約15分後に安定した高温に達しました。断熱材なしの TEG モジュール、I 層レンガ、III 層レンガの 40 ～ 60 分間の平均高温温度は、それぞれ 172、172、210 °C です。断熱材のない TEG モジュール、I 層レンガ、III 層レンガの 40 ～ 60 分間の平均冷却温度は、それぞれ 62、41、37 °C です。 FEMシミュレーション結果からの時間の関数としての冷却器温度を図11dに示します。この結果は、FEM シミュレーション結果の冷却温度が実験結果の冷却温度に近かったことを示しています。

開回路測定で得られた温度差の関数としての出力電圧。

実験結果からの時間の関数としての温度差を図１１ｂに示す。断熱材のない TEG モジュール、I 層レンガ、III 層レンガの 40 ～ 60 分間の平均温度差は、それぞれ 108、132、172 °C です。補足情報（図S5）に示すように、約200℃の高温では、断熱材なしのTEGモジュールの温度差は108℃、I層レンガの温度差は132℃です。この結果は、I 層レンガの TEG モジュールが、断熱材のない TEG モジュールよりも低い熱伝達 (より高い熱損失削減) を可能にすることを示しました。

補足情報に示すように、（1）断熱材なしのTEGモジュールと（2）I層レンガのTEGモジュールの熱透過率（U値）を考慮して、同じレンガ形状を使用して計算されました（図S6）。。補足情報（図S6）によると、レンガの形状は3つの部分で構成されています。下部と上部は 20.0 cm × 20.0 cm × 1.25 cm の長方形の領域であり、中央の部分は 20.0 cm × 20.0 cm × 1.25 cm の長方形の領域内にある直径 1.0 cm、垂直高さ 2.0 cm の垂直棒です。 20.0cm×20.0cm×2.0cm。中央部分の内側の領域は CaMnO3 TEG モジュールです。総熱抵抗は、下部、中部、上部の熱抵抗の直列和から計算しました。中間部分の熱抵抗は、内側ロッドと外側領域の熱抵抗の平行和から計算されました。熱透過率は全熱抵抗の逆数です。

断熱材を用いないTEGモジュールの熱伝達機構は、(1)中央部内部のCaMnO3 TEGロッドの熱伝導と、(2)中央部の下部、上部、外側の自然空気の熱対流から構成されます。まず、熱伝導による熱抵抗は、\(R_{cond} = L/(\kappa A)\) の式を使用して計算されます。ここで、L は 2.0 cm の TEG ロッドの長さ、A は断面積ですは TEG ロッドの直径 1.0 cm、\(\kappa\) は CaMnO3 TEG ロッドの熱伝導率約 0.65 W/m・K です。次に、中央部の下部、上部、外側の領域における自然空気の熱対流は、\(R_{conv} = 1/(hA)\) の式を使用して計算されます。ここで、h は対流熱伝達です。自然空気の係数は約 25 W/m2・K41,42、A はそれぞれ下部、上部、中央部の外側領域の断面積です。計算された合計熱抵抗は約 3 K/W、断熱材なしのモジュールの熱透過率は 8.25 W/m2・K に等しくなります。

I 層レンガにおける TEG モジュールの熱伝達機構は、(1) 中央部内部の CaMnO3 TEG ロッドの熱伝導、(2) 下部、上部、外側の断熱材である CAST 11 LW の熱伝導から構成されます。真ん中の部分のエリア。 CaMnO3 TEG ロッドの熱伝導による熱抵抗は、0.65 W/m・K に等しい CaMnO3 TEG ロッドの熱伝導率を使用して計算されます。補足情報（表S2）によると、CAST 11 LWセメントモルタルの400〜1000℃の温度範囲での熱伝導率の値は約0.25〜0.40 W/m・Kです。 400 ～ 1000 °C の温度範囲における CAST 11 LW の熱伝導率の線形外挿が実行され、200 °C での CAST 11 LW セメントモルタルの外挿熱伝導率は 0.20 W/m・K に等しくなります。熱伝導率0.20 W/m・K に等しい CAST 11 LW の値を使用して、I 層レンガの TEG モジュールを覆う断熱材の熱抵抗を計算します。計算された総熱抵抗は約 51.2 K/W、I 層レンガの熱透過率は 0.49 W/m2・K に等しくなります。

補足情報（図S6）によると、III層れんがのTEGモジュールの熱伝達メカニズムは、中央部分のCaMnO3 TEGロッドの熱伝導と、下部のCAST 11 LWの長さ1.25 cmの熱伝導で構成されています。中央部分の外側領域で、それぞれ (R1) の部分 (R1)、0.25 cm の CAST 11 LW (R2)、1.5 cm の CAST 13 LW (R3)、および 0.25 cm の CAST 15 LW (R4) の熱伝導が発生します。上部(R5)のCAST 15 LWの長さ1.25cm。 CaMnO3 TEG ロッドの熱伝導による熱抵抗は、0.65 W/m・K に等しい CaMnO3 TEG ロッドの熱伝導率を使用して計算されます。補足情報（表S2）によると、CAST 11 LW、CAST 13 LW、およびCAST 15 LWセメントモルタルの400〜1000℃の温度範囲における熱伝導率の値は、約0.25〜0.63 W/m・Kです。 400 ～ 1000 °C の温度範囲における CAST 11 LW、CAST 13 LW、および CAST 15 LW の熱伝導率の線形外挿が実行され、200 °C での外挿熱伝導率が得られました。0.20、0.34、および 0.58 W/m です。 ·K、それぞれ。 CAST 11 LW、CAST 13 LW、および CAST 15 LW の外挿熱伝導率を適用して、III 層レンガの TEG モジュールを覆う断熱材の熱抵抗を計算します。計算された総熱抵抗は約 3.69 K/W で、I 層レンガの熱透過率は 6.7 W/m2・K に等しくなります。

断熱材なしの TEG モジュールの計算された熱透過率は、I 層レンガの熱透過率の約 16.8 倍であり、断熱材を使用して I 層レンガの高温側と低温側の温度差を維持するというコンセプトが証明されました。断熱材のないTEGモジュール。 III層れんがの計算上の熱透過率はI層れんがの約13.6倍です。この計算結果は、補足情報による実験の温度差と対照的です（図S5）。しかし、Grujicic et al.43 が報告しているように、熱界面抵抗の影響は、電子デバイスの熱管理における重要な役割として含める必要があります。

FEMシミュレーション結果を図11eに示します。 3 つのモデルすべての温度差の傾向は、200 °C の一定の高温での実験とシミュレーションでよく一致しています。温度差はスタート付近で最大値に達した。温度差があり、温度が目標温度まで上昇するにつれて減少します。その後、一定の高温の間、一定の温度差が生じます。 I 層レンガと III 層レンガの両方の TEG モジュールの温度差は同様の値を示し、断熱材のない TEG モジュールの温度差よりも高かった。

実験結果からの時間の関数としての出力電圧を図 11c に示します。断熱材のない TEG モジュール、I 層ブリック、III 層ブリックの 40 ～ 60 分間の平均出力電圧は、それぞれ 24.35、26.57、27.70 mV です。 FEMシミュレーション結果を図11fに示します。コンピュータシミュレーションと実験結果の両方の傾向はよく一致しています。時間と断熱材なしの TEG モジュールからの出力電圧の関数として、温度が室温から目標定数まで上昇すると、I 層および III 層ブリックの TEG モジュールは 20 ～ 30 mV の最高出力電圧に達します。温度。 200 °C の一定の高温では、I 層および III 層ブリックの TEG モジュールの実験出力電圧と FEM シミュレーション出力電圧の両方が若干低下します。一定の高温では、断熱材なしの TEG モジュールの出力電圧は、I 層および III 層ブリックの TEG モジュールの出力電圧よりも低くなります。

図１１ｄ、ｅ、およびｆに示すように、Ｉ層レンガとＩＩＩ層レンガの両方のＦＥＭシミュレーション結果は、同じ冷却温度、温度差、および出力電圧を示している。 Hogblom と Andersson25 による研究では、市販の TEG Bi2TE3 ベースのモジュールの熱界面抵抗を含む 3D 有限要素シミュレーションが実行されました。シミュレーション結果は実験と同じ条件下で実施され、動作条件の入力範囲全体にわたってモジュールの性能を非常に正確に予測することができました。現時点では、熱界面抵抗を含む FEM シミュレーションの証拠はありませんが、FEM 結果の理由は、実行された FEM シミュレーションに下位層と中位層と中上位層の間の熱界面抵抗の影響が含まれていなかったためであると考えています。 III層レンガの。

断熱材のないTEGモジュールとI層およびIII層レンガの熱電コンクリートレンガの時間の関数としての内部抵抗値を図12に示します。熱電モジュールは図 4 に見ることができます。実験の開始時にすべてのモデルの内部抵抗が減少し、同時に温度 TH が室温から 200 °C の目標一定温度まで上昇しました。 I 層レンガと III 層レンガの両方のモジュールの内部抵抗は、約 100 Ω の同じ値であり、断熱材のないモジュールの内部抵抗の約 600 Ω よりも低かった。

(a–c) 実験結果と (d–f) 高温側と低温側の温度の FEM シミュレーション結果、(a、d)、温度差、(b、e) 出力電圧、(c、f) ターゲット高温時の時間の関数としての 200 °C の温度。

図11aの実験結果によると、高温側の温度は室温での開始点から20分後に目標の安定した高温側の温度である200℃に到達するまで上昇していました。図1cによると、実験的な導電率は300 ～ 600 K の温度範囲での CaMnO3 サンプルは、温度の上昇とともに増加します。図１２によれば、電気伝導率の逆数である内部抵抗は、温度の上昇とともに減少する。

キャリアが衝突することなく移動できる最長距離である平均自由行程の定義に基づきます。平均自由行程が高いほど、サンプルの導電率が高いことを示します。内部抵抗、障害物によりキャリアの平均自由行程が低下します。高い運動エネルギー（高温）のキャリアは、低い運動エネルギーのキャリアよりも速く移動し、より高い平均自由行程を記録します。 CaMnO3 TEG モジュールの場合、異なる運動エネルギー (温度差) による電気キャリアの移動により、モジュールの高温側と低温側でキャリアの平均自由行程に差が生じます。要約すると、キャリアの高温側と低温側の間の平均自由行程の差が大きいほど（温度差が大きいため）、サンプルの導電率が高くなり、内部抵抗が低くなります。

図 8 と図 11b によると、同じ 200 °C の高温側において、異なる熱伝達メカニズムにより、サンプルの高温側と低温側の間で 3 つの異なる温度差が生じました。次の段落の詳細によれば、熱伝導は、(1) 断熱材のない TEG モジュール、(2) I 層のモジュール、および (3) III 層のモジュールの熱伝達メカニズムの重要な部分を占めています。レンガ。要約すると、熱伝導は温度差に影響を与え、さらにサンプルの導電率と内部抵抗に影響を与えます。

熱放射の影響を無視すると、断熱材を使用しない TEG モジュールの熱伝達メカニズムは、CaMnO3 TEG モジュール内部の熱伝導と TEG モジュール周囲の自然空気の熱対流で構成されます。 I 層レンガにおける TEG モジュールの熱伝達メカニズムは、CaMnO3 TEG モジュールの熱伝導と CAST 11 LW の周囲の断熱材の熱伝導であり、高温側での外挿熱伝導率は 0.2 W/m・K です。 200℃。 III 層レンガにおける TEG モジュールの熱伝達機構は、CaMnO3 TEG モジュールの熱伝導と、周囲の CAST 11 LW (下部)、CAST 13 LW (中央部)、および CAST 13 LW (中央部) の一連の断熱材の熱伝導で構成されます。 CAST 15 LW（上部）。200 °C の高温側での外挿熱伝導率はそれぞれ 0.2、0.34、0.58 W/m・K です。 Grujicic et al.43 によれば、熱界面抵抗の効果は、III 層レンガの TEG モジュールの重要な熱伝達メカニズムとして含まれる必要があります。これらの結果は、I 層および III 層レンガの断熱材を使用するコンセプトが、TEG モジュールの高温側と低温側の間でより高い温度差を維持することを証明しました。

閉回路測定では、可変の外部負荷抵抗が回路に接続されました。高温側温度を室温から上昇させた。高温側、低温側の温度、出力電圧（Ｖ）、出力電流（Ｉ）を測定し、ｄＴ＝ＴＨ－ＴＣより差温度を算出した。温度差が目標温度の 100 または 150 °C に達したとき、絶縁体なしの TEG モジュールの負荷抵抗の関数として計算される発電電力 (P = IV) は 0 ～ 2000 Ω、絶縁体のない TEG モジュールの場合は 0 ～ 1000 Ω です。 I層のTEGモジュールとIII層のブリックを図13aに示します。電流の関数としての発電電力および電流の関数としての出力電圧をそれぞれ図１３ｂおよび図１３ｃに示す。

断熱材のない TEG モジュールと、I 層および III 層レンガの熱電コンクリートレンガの時間の関数としての内部抵抗。

図13aおよびbに示すように、100および150℃の異なる温度を適用した場合の、がいしなしのモジュール、I層れんがおよびIII層れんがの熱電コンクリートれんがの発電電力は、一部を表示します。外部負荷抵抗と電流の放物線関数の関係。温度差が増加すると、外部負荷抵抗の関数としての発電電力と電流の関数としての電力が増加しました。 I 層レンガは最も高い発電量を持ち、III 層レンガや絶縁体のない TEG モジュールよりも大きくなります。この結果から、III 層れんがタイプの熱電コンクリートれんがの発電電力は、I 層れんがや TEG モジュールよりも高いことがわかりました。図13cに示すように、100℃と150℃の温度差に対応する出力電流の関数としての出力電圧の曲線。 100 °C と 150 °C の温度差の間、実験結果は、断熱材なしのモジュールと III 層レンガのモジュールの IV 曲線から同じ傾きを示します。文献44、45、46によれば、各温度差に対応するIV曲線は同じ傾きの直線を示します。これらの結果は、各温度差におけるモジュールの内部抵抗が線形挙動を示すことを示しました。ただし、図 13c は、III 層レンガのモジュールの IV 曲線からの傾きの差を示しています。これは、I 層レンガでのモジュールの実験中に高温側温度の上昇速度に違いがあるためです。

高温炉の側壁に埋め込まれたTEGコンクリートレンガを用いた熱実験からの直接電気変換が行われていました。高温側の温度と低温側の温度間の温度差の関数としての出力電圧を図 14 に示します。図 14 の挿入 (a) によれば、20 個のユニレッグ n 型 CaMnO3 モジュールが 1 つのモジュールとして接続されています。上下のアルミ電極を用いた並列回路です。図 14 の挿入図 (b) に示すように、ユニレッグ n 型 CaMnO3 モジュール 120 個の直並列組み合わせ回路を、20 個のモジュールの 6 並列回路の直列回路を使用して構成しました。図 14 の挿入 (c) では、TEG コンクリートれんがは、ユニレッグ n 型 CaMnO3 モジュール 120 個の直並列結合回路を覆う断熱材として I 層コンクリートを使用して構築されました。炉内の熱源に応じて、炉壁の外側を高温側としてTEGコンクリートれんがに熱を供給するようにした。図 14 の挿入 (d) により，TEG コンクリートレンガを炉の外面に埋め込み，炉からの熱源と接続した．図14によれば、コンクリートレンガの高温側温度から最高温度580℃において、レンガの高温側と低温側の温度差は365℃となっている。最大出力電圧は５８１．７ｍＶが得られた。図 14 の挿入 (e) では、S1 (71.3 °C) と S3 (67.0 °C) を指標として炉の表面壁に埋め込まれたコンクリートレンガの赤外線熱画像カメラによる熱分布画像が表示されます。コンクリートレンガの冷たい側の温度。 S2 (493.7 °C) による指標としての開放端の赤外線熱画像カメラによる熱分布画像も、炉からの熱源温度に近い TEG コンクリートレンガの高温側温度を示しました。

(a) 負荷抵抗の関数としての出力電力、(b) 電流の関数としての出力電力、(c) 絶縁体のない TEG モジュール、I 層ブリック、およびⅢ層レンガ。

高温炉の側壁に埋め込まれたコンクリートレンガ内の 120 個のユニレッグ CaMnO3 TEG モジュールの出力電圧。

熱を効果的に遮断し、廃熱を直接電力に変換する熱電コンクリートれんがを、ユニレッグn型CaMnO3 TEGモジュール、I層およびIII層れんがの熱電コンクリートれんがによって設計および構築しました。温度差の結果は、断熱材のない CaMnO3 TEG モジュールの代わりに、I 層および III 層レンガの TEG モジュールの垂直方向に沿った温度差を維持する効率が高いことを示しています。出力電圧は、断熱材なしのCaMnO3 TEGモジュールよりもI層およびIII層レンガの熱電コンクリートレンガの両方で廃熱を直接電気に変換する高い性能を予測します。実験とコンピュータシミュレーションの温度差と出力電圧の傾向は類似しています。実験とコンピュータシミュレーションの温度値と出力電位値はまだわずかに異なります。 III層レンガタイプは高い発電能力を発揮しました。さらに、これらの材料は、温度差による発電において、III 層レンガモデルの熱電コンクリートレンガの高い性能を示しました。

CaMnO3 粉末は、市販の CaCO3 (純度 99% Sigma-Aldrich) および MnO2 (純度 99% Sigma-Aldrich) からの出発物質を使用して固相反応法によって合成されました。出発粉末を化学量論量で秤量し、ボールミル法を使用して混合し、補足情報（図S8）に示すように、自家製の半自律機械によって冷却プレスして、直径10.0 mm、高さ20.0 mmのロッドに成形しました。熱電ロッドは、電気炉を使用して 1373 K の温度で 12 時間焼結されました。

CaMnO3 サンプルの合成段階は、PHILIPS X' Pert MPD 回折計を使用し、10 ～ 80 °C の範囲で Cu Ka 放射線を使用した粉末 XRD によって特性評価されました。走査電子顕微鏡 (JEOL SEM JSM-5800 LV) を使用して、CaMnO3 サンプルの形態と粒径を観察し、エネルギー分散型 X 線分光法 (EDX マッピング) によって CaMnO3 粉末表面上の原子の均一な分布を決定しました。セベック係数と電気抵抗率は、サンプルバー上で同時に測定されました。

LSR -3 Linseis ゼーベック係数および電気抵抗率ユニット（Linseis Inc.）。比熱と熱伝導率は、NETZSCHLFA 477 ナノフラッシュ熱拡散率分析装置を使用して、直径約 10 mm、厚さ 2 ～ 3 mm の平らなサンプルで測定されました。

図 3 に示すように、一本脚の CaMnO3 TEG モジュールは、直径 10.0 mm、垂直方向の長さ 20.0 mm の CaMnO3 ロッドの円筒部分から構築されました。熱電片の下部と上部の両方を、サイズ 10.0 mm × 20.0 mm × 20.0 mm のアルミニウム電極で覆いました。断熱材のないユニレッグCaMnO3 TEGモジュールを図3aに示します。耐熱電線である電線に電気特性測定用の上下のアルミニウム電極を接続した。図3bに示すように、TEGモジュールの下側をホットプレートで加熱しました。

ユニレッグ n 型 CaMnO3 TEG モジュール (CaMnO3 TEG モジュール) を熱電コンクリートレンガの構築に適用しました。図4aに示すように、熱電コンクリートレンガは、コンクリート内部にCaMnO3 TEGモジュールを埋め込むことによって製造されました。コンクリート鋳造レンガは、２０．０ｃｍ×２０．０ｃｍ×４．５ｃｍの寸法で準備した。図4bとcによれば、コンクリートレンガはI層レンガタイプとIII層レンガタイプに製造されました。次に、CaMnO3 TEG モジュールをプラスチックで包んだコンクリート鋳造レンガの中央に収納しました。次に、24 時間で室温から 350 °C まで段階的に加熱することにより、コンクリートレンガを加熱してコンクリートを乾燥させ、プラスチックラップを溶かしました。

以上の工程により、1) 1層コンクリートレンガ(I層レンガ)と2) 3層コンクリートレンガ(III層レンガ)の2種類の熱電コンクリートレンガを作製した。 I 層レンガタイプは、CAST 11 LW コンクリートの一層で覆われた CaMnO3 TEG モジュールを使用して製造することによって得られた熱電コンクリートレンガタイプでした。 CAST 11 LW セメントモルタルタイプの化学組成を補足情報（表S1）に示します。これは、200 °C の温度で外挿熱伝導率が 0.20 W/mK の断熱キャスタブルレンガ (ASTM C 401 クラス 0) に使用されました。図4bは、I層レンガタイプの熱電コンクリートレンガの概略図を示しています。

さらに、III 層レンガタイプの熱電コンクリートレンガは、CAST 11 LW、CAST 13 LW、および CAST 15 LW コンクリートの 3 層で覆われた CaMnO3 TEG モジュールを使用して製造されました。 CAST 13 LW および CAST 15 LW セメントモルタルタイプの化学組成を補足情報 (表 S1) に示します。これらは、CAST 13 LW の ASTM C 401 クラス Q および CAST 15 LW の ASTM C 401 クラス S の断熱キャスタブルレンガに使用されました。 CAST 13 LW および CAST 15 LW セメントの推定熱伝導率は、200 °C の温度でそれぞれ 0.34 W/mK および 0.58 W/mK でした。図4cは、III層レンガタイプの熱電コンクリートレンガの概略図を示しています。熱電コンクリートレンガ用のセメントモルタルの配置は、CAST 11 LW の 0.20 W/mK、CAST 13 LW の 0.34 W/mK、CAST 15 LW の 0.58 W/mK までの熱伝導率の高い値から低い値に応じて配置されました。レンガの下から上まで。

CaMnO3 TEG モジュールと I 層および III 層レンガの TEG モジュールの電気変換を、開回路と閉回路の両方で測定しました。断熱材のないTEGモジュールについては、TEGモジュールの下面をホットプレートで加熱した。高温温度 (TH) と低温温度 (TC) は、それぞれモジュールの下側と上側にタイプ K 熱電対プローブを備えた 4 桁マルチメーター (KEYSIGHT Technologies、U1242C) を使用して測定されました。 I層およびIII層レンガのTEGモジュールの場合、熱電コンクリートレンガの下側をホットプレートで加熱しました。高温温度 (TH) と低温温度 (TC) は、それぞれ熱電コンクリートレンガの下側と上側にタイプ K 熱電対プローブを備えた 4 桁マルチメーター (KEYSIGHT Technologies、U1242C) を使用して測定されました。より高い温度とより低い温度の間の温度差 (dT) は、dT = TH-TC から計算されました。断熱材のないTEGモジュールとI層およびIII層レンガのTEGモジュールを電線と上下のアルミニウム電極で接続し、電圧と電流を測定しました。開回路測定では、図9aおよびbに示すように、モジュールの下部電極と上部電極間の出力電圧を3.5桁マルチメーター（KEYSIGHT Technologies、U1232A）を使用して測定しました。内部抵抗も 3.5 桁マルチメーター (KEYSIGHT Technologies、U1232A) を使用して測定しました。閉回路測定の場合、図9cに示すように、外部電気抵抗が回路に接続されました。出力電圧は、3.5 桁マルチメーター (KEYSIGHT Technologies、U1232A) を使用して測定されました。出力電流はデジタルマルチメータ（UNI-T、UT30A）を使用して測定しました。すべての測定データは、Keysight Handheld Meter Logger Software を使用して記録されました。表面温度分布の観察には、赤外線熱画像カメラ (Keysight Technologies U5856A) を使用しました。

開回路測定では、温度差 (dT) に対する出力電圧 (dV) を実行して、熱電デバイスの開回路電圧を説明しました。 100、200、および 400 °C の一定の高温における熱電デバイスの電気特性も測定されました。閉回路測定では、熱電デバイスの電気的特性を IV 曲線と IP 曲線から特性評価しました。

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この研究は、モンクット王工科大学ラカバン校 (KMITL 博士奨学金 ID KDS2018/007) によって支援されています。著者らは、タイ物理学センター (ThEP) が COMSOL サーバーを提供したことを認めたいと思います。このプロジェクトの一部は、タイ国立研究評議会 (NRCT) の助成金番号: NRCT5-RSA63024-01 によって提供されました。

モンクット王工科大学理学部物理学科 Ladkrabang、Chalongkrung Road、Ladkrabang、Bangkok、10520、タイ

キーラティマニーサイ、スニサールカンマホン、ポンサコーンシリプーム、チェスタルッタナプン

Smart Materials Research and Innovation Unit, School of Science, King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang, Chalongkrung Road, Ladkrabang,Bangkok,10520,Thailand

キーラティ・マニーサイ、スニサール・カンマホン、ポンサコーン・シリプーム、チャイワット・プロンペット、チャヴァル・スリウォン、チェスタ・ルタナプン

Center of Excellence in Smart Materials Research and Innovation、King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang、Chalongkrung Road、Ladkrabang、Bangkok、10520、Thailand

キーラティ・マニーサイ、スニサール・カンマホン、チャイワット・プロンペット、チャヴァル・スリウォン、チェスタ・ルッタナプン

タイ高等教育・科学・研究・イノベーション省物理学優秀センター、328 Si Ayutthaya Road、バンコク、10400、タイ

キーラティ・マニーサイ、スニサール・カンマホン、チャイワット・プロンペット、チャヴァル・スリウォン、チェスタ・ルッタナプン

スラナリー工科大学科学研究所物理学部、ナコーンラーチャシーマー、30000、タイ

サンティ・メンシリ

モンクット王工科大学理学部化学科 Ladkrabang, Chalongkrung Road, Ladkrabang, バンコク, 10520, タイ

チャヴァル・スリウォン

College of Innovation and Industrial Management、King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang、Chalongkrung Road、Ladkrabang、Bangkok、10520、タイ

チャイワット・プロンペット

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KM: データキュレーション、形式分析、可視化、調査、執筆—原案、資金獲得、SK: データキュレーション、形式分析、可視化、調査、PS: データキュレーション、形式分析、可視化、調査、CP: データキュレーション、形式分析、可視化、調査、CS：データキュレーション、形式分析、可視化、調査、SM：構想、監督、検証、CR：構想、形式分析、資金獲得、可視化リソース、監督、検証、執筆―原案、執筆―レビューと編集。

チェスタ・ルッタナプンへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Maneesai、K.、Khammahong、S.、Siripoom、P. 他単脚N型CaMnO3熱電モジュールを内部に埋め込んだ熱電コンクリートレンガの製作と熱電変換。 Sci Rep 13、916 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-28080-7

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受信日: 2021 年 12 月 11 日

受理日: 2023 年 1 月 12 日

公開日: 2023 年 1 月 17 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28080-7

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