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解析事例・インタビュー

東京工科大学
シミュレーションと実験を両立させる教育で、
電力ロスゼロのサステイナブル社会を目指す

写真1 東京工科大学 工学部
電気電子工学科 教授 エネルギー応用研究室
工学博士 博士(理学)技術士(電気電子)
高木茂行 氏

[前編] サステイナブル工学を特色とする東京工科大学のエネルギー応用研究室では、パワーエレクトロニクスをキーワードとした、効率のよいエネルギー利用の研究を行っている。研究室の高木茂行教授が重要だと考えるのは、シミュレーションと実験をバランスよく使いこなすことができる人材の育成だ。

パワーエレクトロニクスに取り組む

 東京工科大学 工学部 エネルギー応用研究室 教授の高木茂行氏(写真1)は、電気分野でとくにパワーエレクトロニクスに関する研究に取り組んでいる。「様々なエネルギーを、私たちが利用できるような形に変えるのが研究室の大きなテーマです」と高木氏は話す。パワーエレクトロニクスは、電力変換に関する研究分野だ。例えば身近になりつつある電気自動車はまさにパワーエレクトロニクスが活用される製品である。また明るさを調節できるLED照明においてもパワーエレクトロニクスによる電力制御が重要な役割を持つ。

図1 身の周りには使われないまま捨てられる熱がたくさん存在する。研究室ではできる限りエネルギーを無駄なく使うサステイナブルな電力工学に取り組む
※クリックで拡大

 とくに高木氏が注力する研究の一つが、身の回りにある大量に発生しつつも日々捨てられている熱の有効利用だ。自動車や船舶のエンジン、ごみ焼却炉や工業炉、発電施設などの排熱を合わせると、年間で5000ギガワット時以上にもなるという。このうち1%だけでも回収できれば、小型火力発電1基分になるという(図1)。研究室ではこの排熱を利用した発電技術の研究開発を行っている。また発電によってつくられた電流は直流のため、家庭用電源として利用できるよう交流100ボルトに変換する必要がある。この変換効率の向上も、省エネを追求するうえで欠かせないテーマになる。ほかにも研究室では自動車や電車のスピードを落とす時に生じるエネルギーを使い、モーターを回して発電する回生技術にも取り組む。さらに、プラズマ殺菌に使用するためのプラズマ発生技術の研究も行っている。

 

アウトドアでスマホ充電などに利用

 このような電力関連機器を開発するうえで欠かせないのが、熱の流れを把握することだ。電力の変換には半導体パワーデバイスを使用するが、エネルギーの一部は熱になるため、うまく冷却しなければ機器が熱で破損してしまう。そのため研究室では、ソフトウェアクレイドルの電子機器の熱流体解析に適したソフトウェア「STREAM」を活用している。研究室では装置内部の熱の流れや、基板上または半導体内部の熱分布を把握するために使用しているという。

 

 パワーデバイスと並行して研究室で進めている、熱電素子を使用した排熱発電装置のシミュレーション結果が、図2だ。熱電素子は、2種類の導体を接触させて両方に異なった温度を与えると導体間に起電力が生じることを利用した、熱と電気の変換素子である。温度差が大きいほど発電量も大きくなるため、温度差が最大となるような設計を検討した。

図2 ペルチェ素子を使った排熱発電装置の検討。最も少ない流量で、熱素子のヒーター側と冷却フィン側の温度差が最大となるよう各パーツの構造を最適化する
※クリックで拡大

 

写真2 熱電素子やモーターによって発電された電力をバッテリーに充電する実験。バッテリーに蓄えられるエネルギー量や寿命を評価する。奥のディスプレイは熱電素子の冷却気流を解析した結果

 図2では濃い青の部分が熱電素子で、下には熱源を模したヒーター、上部には冷却のためのフィン、また左側にはフィンに効率よく空気を送るためのファンを設置する。なるべくエネルギー消費の少ないファンを選択し、適切な位置に配置するとともに、冷却フィンの構造や位置、角度、各パーツの間隔などを検討して、もっとも発電できる設計案を検討する。この研究には学生が取り組んでおり、各パラメータの最適化には、STREAMとダイレクトインターフェースでつながる最適化ソフトウェア「Optimus」を用いて進めていくそうだ。

 

 この発電装置は、アウトドアや災害時における利用を想定しているという。例えば火や加熱中の調理器具の付近に設置しての利用が考えられる。いくつかモジュールを接続することによって、スマートフォンを充電するといったことを想定している。さらに、交流100ボルトに変換して出力することも検討している(写真2)。

可視化で熱分布の傾向をつかむ

 STREAMを利用することで流れと熱の可視化が可能になり、気体の流速の増加と温度の下がっていく関係などの傾向をつかむことができたという。「気体が流れるのと流れないのとでは、冷却能力に大きな差があることや、流速を上げるほど温度は下がるものの、温度低下への寄与は線形ではないことも、可視化によって感覚的につかむことができました」(高木氏)。

 

 この研究では、シミュレーション結果をもとに、実際の装置開発も行う予定だ。さらに、解析結果と実験データとの比較も行っていくという。「実験の実施にはコストが掛かり、また実験によって確認できるデータは限られます。そのため、ある程度ソフトウェア上で検討したうえで候補を絞ってから実験を行っていきたいと思っています」(高木氏)。

写真3 熱電素子によって作られた数十ボルトの直流電圧を家庭用の交流100ボルトに昇圧するための実験。変換に伴う損失を電力アナライザーで測定し、損失を低減する回路を研究している

 高木氏は、電力変換器(DC-DC変換器)向け基板の熱分布のシミュレーションにも取り組んでいる。装置内部の基板上に窒化ガリウム半導体素子を配置し、熱分布がどのようになるかを調べるという。変換器は小型であるほどよいが、熱が発生するため内部の熱状態の検討も避けられない。例えば上記で紹介した熱電発電は、元は40ボルトのため電子機器で利用できる140ボルトにまで昇圧する必要がある(写真3)。一方、回生によって得られる電圧は100ボルト程度だが、発電した電気を充電するバッテリーの電圧は2.5~24Vと低いため、降圧する回路が必要になる。昇圧と降圧で回路構成は似ているため、両者に共通の基板として検討しているところだという。

※STREAMは、日本における株式会社ソフトウェアクレイドルの登録商標です。
※その他、本インタビュー記事に記載されている会社名、製品・サービス名は、各社の商標または登録商標です。
※本インタビュー記事の内容は2017年6月現在のもので、予告なしに変更する場合があります。また、誤植または図、写真の誤りについて弊社は一切の責任を負いません。​

プロフィール

 




 

東京工科大学 工学部 エネルギー応用研究室
創立 1947年
大学設置 1986年
設置者 学校法人片柳学園
学校種別 私立
所在地 東京都八王子市
URL http://www.teu.ac.jp/

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