熱電発電

熱電発電とは

熱電発電は、温度差を利用して電気エネルギーを生成する技術です。広義には、ゼーベック効果を利用した熱電変換素子や、アルカリ金属熱電装置（AMTEC）、熱電子発電装置（TIC）などを含む様々な方式があります。この記事では、主にゼーベック効果による熱電素子を用いた狭義の熱電発電について解説します。

熱電発電の歴史

熱電発電の歴史は古く、1960年代から宇宙開発の分野で注目されていました。熱電素子は可動部分がないため長寿命であり、メンテナンスが不要という利点があります。そのため、人工衛星の電源として、原子力電池が実用化され、多くの人工衛星で使用されました。現在では太陽電池が主流となっていますが、太陽光が届きにくい深宇宙探査機などでは、依然として熱電発電が利用されています。

熱電発電の原理

熱電発電は、ゼーベック効果と呼ばれる現象を利用しています。これは、異なる金属や半導体を接合し、接合点に温度差を与えると電圧が発生するというものです。この電圧を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換します。

熱電素子に使用される材料は、使用温度範囲によって異なります。代表的な材料としては、ビスマス・テルル系（Bi-Te系）、鉛・テルル系（Pb-Te系）、シリコン・ゲルマニウム系（Si-Ge系）などがあります。これらの材料は、高温での酸化や資源量の問題があるため、より資源が豊富で安定な材料の研究が進められています。

熱電発電の利点と課題

利点

長寿命・高信頼性: 可動部分がないため、摩耗や故障が少なく長寿命です。
省スペース: 付帯設備が不要で、小型軽量な電源として利用できます。
設計自由度: 素子の形状を自由に設計できるため、様々な熱源に対応できます。
熱源への応答性: 熱源温度の変動に素早く対応できます。
多様な熱源: 高温、低温、大型、小型など、様々な熱源から発電可能です。
高い発電密度: 単位面積あたりの発電量は、太陽光発電よりも高い場合があります。
廃熱利用: 多くの場合は廃熱を利用するため、新たな熱源を必要としません。

課題

変換効率: 原理的にカルノーサイクルを利用する熱機関に比べて変換効率が低い。
材料の劣化: 使用材料が酸化劣化しやすい。
資源制約: 多くの熱電素子が希少な資源を使用している。
コスト: 既存の発電技術と比較してコストが高い。
構造の複雑さ: 低電圧のため、多数の素子を直列接続する必要がある。
熱エネルギー損失: 熱源と熱電素子間での熱エネルギー損失が大きい。

熱電発電の応用例

熱電発電は、様々な分野での応用が期待されています。

宇宙開発: 人工衛星の電源として、深宇宙探査機などで利用されています。
産業分野: 工場や自動車の排熱を利用した発電。
民生分野: 温泉熱や地熱を利用した発電、体温を利用したウェアラブルデバイスの電源。
* 軍事分野: 可搬型発電機など。

Hi-Z Tecnology Inc.は、セメント工場、ガラス工場、精製工場、鋳物工場などの廃熱を利用した発電を提案しています。また、大阪産業大学は、熱電発電を用いた電気自動車を開発しました。

熱電発電の経済性

熱電発電素子の価格は、まだ高い水準にあります。しかし、量産化が進むことで、コストが低下することが期待されています。Hi-z社は、年間200万個の生産量になれば、0.74 $/Wまで下がると試算しています。

まとめ

熱電発電は、廃熱を有効活用できる環境に優しい発電技術として、世界中で研究開発が進められています。変換効率やコストなどの課題はありますが、長寿命、省スペース、多様な熱源に対応できるなどの利点があり、様々な分野での応用が期待されています。今後の技術革新により、熱電発電がより広く普及することが期待されます。

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