熱光起電力

熱光起電力（TPV）発電とは

熱光起電力（Thermophotovoltaic：TPV）発電は、高温の物体から放射される熱エネルギーを光に変換し、それを半導体を用いて直接電力に変換する技術です。この技術は、太陽光発電（PV）と原理的に似ていますが、熱源の種類やエネルギー密度、応用範囲において大きな違いがあります。

TPV発電の仕組み

TPV発電システムは、主に以下の要素で構成されています。

熱源: 高温を維持できるものであれば、多様な熱源を利用できます。化石燃料の燃焼、産業排熱、太陽熱、放射性同位体などが考えられます。
エミッタ: 熱源からの熱エネルギーを受けて光を放射する役割を担います。高温に耐え、特定の波長の光を効率よく放射する材料が用いられます。
TPVセル: エミッタから放射された光を受けて、電気に変換する半導体です。セルの材料としては、GaSbやInGaAsSbなどが一般的ですが、Mg2Siなどの新しい材料も研究されています。
フィルター: エミッタとセルの間に設置され、特定の波長の光のみを透過させることで、発電効率を高める役割を果たします。

TPV発電のメリット

TPV発電には、以下のようなメリットがあります。

熱源の多様性: 太陽光発電とは異なり、天候に左右されず、様々な熱源を利用できます。これにより、製鉄所などの排熱を有効活用したり、災害時の非常用電源として活用したりすることが可能になります。
安定した電力供給: 熱源を安定的に確保できれば、連続的な電力供給が可能です。
低騒音: エンジン式の発電機に比べて、騒音が大幅に低減されます。
小規模分散型電源としての可能性: 家庭用やレジャー用の小型発電機としての応用が期待されています。

TPV発電の課題

一方で、TPV発電には以下のような課題も存在します。

エネルギー変換効率: システム全体のエネルギー変換効率は、現状ではまだ数%程度と低いです。燃料電池やエンジンに匹敵する効率を目指して、研究開発が進められています。
コスト: セルの材料や製造プロセスにコストがかかります。より安価な材料の開発や、製造プロセスの効率化が求められています。

TPV発電の最新動向

近年、TPVセルの材料や構造に関する研究開発が活発に進められています。例えば、マサチューセッツ工科大学（MIT）と国立再生可能エネルギー研究所（NREL）は、1900～2400℃の熱源に対し、約40％の発電効率を達成できるTPVセルを開発しました。このセルは、高いバンドギャップを持つIII-V族半導体を使用し、タンデム構造とすることで、高効率なエネルギー変換を実現しています。

今後の展望

TPV発電は、まだ発展途上の技術ですが、熱源の多様性や安定した電力供給、低騒音といったメリットから、将来のエネルギー供給において重要な役割を果たす可能性を秘めています。エネルギー変換効率の向上やコストの低減といった課題を克服することで、様々な分野での応用が期待されます。

参考資料

熊野智之「熱光起電力（TPV）発電」『日本機械学会誌』第108巻第1045号、2005年12月
廣瀬峻啓「エネルギー効率の向上へ 花村 克悟 研究室〜炭素循環エネルギー研究センター」（PDF）『LANDFALL』第66巻、2009年4月
* Massa POP Izumida (2010年6月22日). “頭脳放談 第121回 赤外線を電気に変える太陽電池（？）の使い道”. System Insider. @IT.

もう一度検索