IEШ N 泉鷹熟TIJ用 温度差発電 慶應義塾大学 武 藤 は じめに 廃熱利用 の温 度差発電 には、2つ の方法 が あ る。 一つの発電方法 は、 温度差 で ター ビ ン (発 佳恭 2003年 か ら始 まった」R束 日本 との床発電共 同研 ・ 卜“'で あ る。 床発電 で は、発電 素子 として使 究 われて い る ピエ ゾ素子 の発電量が極 めて小 さい ので、 発電量 の大 きい 別 の発電方法 を研 究 して 電機 )を 機械 的 に回転 させ発電す るス ター リ ン グエ ンジ ン発電等であ る。 もう一つ の発電方法 歩 当 た り、 47μ Fの キ ャパ シ タが8Vに チ ャー ジ は半導体 のゼ ーベ ック効果 を利用 した ゼー ベ ッ で きる発電量が得 られた。歩数あた りに換算す ク温 度差発 電 が あ る。両 方 の 温 度差発 電 とも、 る と、0.15mW秒 /歩 となる。 床発電 で は、 キ ャ パ シ タ Cに 蓄 え られ た起 電 エ ネ ル ギ ー 量 Eは 、 温度差が大 きいほ ど発電量 は大 き くな る。 ここ で 紹 介す るゼ ー ベ ック温 度差発 電 で の 利 点 は、 いた。2006年 での床発電 の 実験測定値 で は、 10 片手 で持 て る ぐらいの小型化可能 な発電装置 に なる点であ る。 また、 ゼー ベ ック素子 は半導体 は」oule)と して計算 され る。 床発電装置 は、現在、 」リー グ・ ヴ イッセル神戸 のサ ッカ ース タジア ム な どに常設 されて い る■￨■ 。 であ るため機械稼動部分が な く、低温 度差発電 ここで は、 デ イップ型 の水冷式温 度差発電 と では、特 に、発電装置の長寿命化が期待 で きる。 温 度差発電 の温 度差 を作 るためには、必ず高 温熱源 と低温熱源 の 2つ が必要であ る。高温熱 (単 .位 空冷式温 度差発電 を紹介す る。 発 電 の基 礎 :ゼ ー ベ ッ ク温 度 差 発 電 と は 源 には、 自然 高温 熱源 と人工 高温熱源 が あ る。 自然高温熱源 の例 としては、マ グマ 熱、太陽熱、 今 か ら190年 程 前 の1821年 に、 トーマ ス ・ ゼ ー ベ ックが ゼ ー ベ ック温 度 差 発 電 の 原 理 を、 温泉 の源泉、高熱岩盤、地 中熱 な どあ る。 人工 高温 熱源 の例 は、工場 や製鉄所 の廃熱、 エ ンジ る 2種 類 の金 属や半導体 に温度差 を設 ける と直 “偶 然 "発 見 した。 ゼー ベ ック発電 で は、 異 な 動車 ・バ イク)廃 熱、電車 のモー タやブ レーキの廃熱、厨 房 ガス レンジ・給湯器 の廃 熱、 流 の 起 電 圧 が 発 生 す る物 理 現 象 を利 用 して い る。 この物理現象 は、 ゼー ベ ック効 果 と呼 ばれ 風 呂釜 の廃熱、 パ ソ コ ンやサ ーバーの廃熱、摩 擦 熱、原子力発電所 の廃熱、等 々、様 々 な廃熱 て い る。 ゼー ベ ック発 電 で は、起電圧 Vは 次式 ン (自 で 与 え られ る。 があ る。 冷温熱源 では、 自然冷温熱源 の 例 とし y=(以 ―S2)・ △T て空気、地下水、川 の水 、海水 な どがあ る。人 ここで、Sl、 Sβ ・・ ・ (1) は半導体 Aと 半導体Bの ゼー 工 冷温 熱源 には、 DCフ ァ ン、 LNG基 地 な どが ベ ック係数、△7は 半導体ABの 温度差である。 ある。 起電l■ を大 きくす るために、ゼーベ ック係数 の差 を大 きくす る様 々な半導体 の研究 。改良が 我 々が温 度差 発電研 究 を始 めた きっか けは、 クリー ンエ ネルギ ー 201110 55 (2)温 泉廃熱利用温度差発電 な されて きて い る。 我 々の温度差発電 の研 究 で は、 温度差 △rに 着 日した。 ゼー ベ ック素子 は、 P型 半導体 とN型 半導体 を導体 でサ ン ドイッチ した構造 を して い る。 図 1に 示す よ うに、ゼ ーベ ック素子 の下 を加熱 し、 素子 の上 を吸熱 してや る とN型 半導体 と P型 半 導体 の 間 に直流 の起電圧 が発生す る。 ゼー ベ ッ Ty ク素子 の起電圧 は、 N型 半導体 が +電 位、 P型 半導体 が 一電位 になる。逆 に、ゼ ーベ ック素子 の Lを 加熱 し、素子 の下 を吸熱す る と P型 半導 体が +電 位 に、 N型 半導体が 一電位 になる。 図 Rノ 2 ゼ ーベ ック素 子 の 起 電 圧 回路 モ デ ル は内 部 イ ンピー ダ ンス と呼 ばれ る。 また、 抵抗 Rの 電力Pは 、 P=ノ R=R高 」の となる。ゼ ーベ ック素子 か ら取 り出せ る最大 の P型 半導体 電 力 P(R)は 、 Rを 変数 とす る関数 と考 える と、 R=R′ の 時 にP(R)を 最大 にす る。 何 故 な らば、 R=R′ の 時、 屏 =0 ・ ・ ・(4) になる。 屏 =ノ :需 刊 図 1 ゼーベック素子とゼーベック発電 ・ ・・(5) イ ンピー ダ ンスマ ッチ ングを考 える と、ゼ ー 実際 のゼー ベ ック素子 では、 図 1の P型 半導 体 とN型 半導体 ペ アを多数用 い る。したが って、 P型 。N型 半導体 ペ アを接続す る導体 同士が接 触 しな い よ うに導体 の上 に絶縁層 を加 える必要 ベ ック素子 か ら取 り出せ る最大電力Pは 、R=R′ がある。多 くの場合、ゼー ベ ック素子 の表面 は、 となる。 絶縁体 で あ るセ ラ ミックを用 い て い るが、セ ラ 図 3に 抵抗 lllRと 取 り出せ る電 力Pの 関係 図 を示す。 ミックの 熱伝導率 はあ ま りよ くない。 の 時、 P=士等 ・・ ・(6) ゼーベ ック素子 か らの直流起電力 を取 り出す た め の ゼ ーベ ック素 子 回路 モ デ ル を図 2に 示 熱 量 と発 電 量 の 計 算 法 す。 お風 呂 の廃熱 を ここで考 えて見 る。 日本 には 図 2の ゼーベ ック素子 の両端 に抵抗 Rを 接続 すると、抵抗 Rを 流れる電流√は、 f=洗 となる。 クリー ンエ ネルギー 201110 “ 4,953万 所 帯 が あ るので、 す べ て の所 帯 が毎 日 風 呂 に入 る もの と して、 バ ス タブの 大 きさを ・・ ・(2) 250リ ッ トル として、 水温 の 平均温 度 15度 を40 度 に沸か して、その温 水 を廃棄 した 時 の捨 て ら れたエ ネ ル ギ ー量 は、一 日当た り、 温泉廃熱利用温度差発電 (3) 0.05× X× Y× 1,000× 4.186/3,600 の電気 エ ネルギ ー 力 (Wh:ワ ッ ト時 )を 生 み 出 すことが可能である。 初代 の空 冷式温度差発 電 図 4に 示す発電装置 は、初 代 の温度差発電装 置 であ る。 YouTubeに 2007年 12月 か ら公 開 し R ′は沢=RJの 時、最大値 を取 る 図3 た ところ、2011年 5月 31日 の 時点 で、20万 件 ほ ttlltR どのア クセスが あ る。初 代 の温 度差発電装置 の : ′ =沢 轟 電力 Pは 抵抗 値 Rの 関数 250L。 (40℃ -15℃ )。 デ モ 動 画 の ア クセス には、 YouTubeサ イ トで ytakehiiを キ ー ワー ドに検索 して頂 きた い。 4,953万 所帯 =309.5Tcal モー ター に直結、 発電すると回る l年 で は11.3万 Tcalと なる。 この エ ネ ル ギ ー量 は、鳩 山元 首相 のC02削 減、4.3%に 相 当す る。 lcal(カ ロ リー )は 4.186」 (ジ ュー ル)で あ り、 1」 はlWS(ワ ツ ト秒 )で あ る。 lcal(カ ロ リー)と は、1グ ラムの水 の温 度 を標準大気圧 下 で 1℃ 上 げ るの に必要 な熱量 なので、電気 に 換算す る と、 250× 1,000× (40-15)× 4,953× 104× 365 室温をベルチェ素子に伝える 図 4 ヒー トパ イプを用 いた温 度差発電装 置 ペ ルチ ェ素 Fの 卜に、 冷 たい保 冷剤、温 か い おに ぎ り、手 な どを置 くとプ ロペ ラが回転す る (4cm× 4cmの ペ ルチ ェ素 子 使用 )。 ×4.186/(3,600× 1,000× 108)=1313.8'ま kWh となる。 日本 中 で風 呂 のお湯 を捨 て るこ とは、1年 間 で 1,313.8億 kWhの 電力 を ゴ ミとして捨 てて い る デ ィップ型水冷式温度差発電 ここでは、 図 5に 示す ヒー トパ イプ を用 い た こ とに等 しくなる。追 い炊 きす るバ ス タブの場 デ ィップ型 の温度差発電装置 を紹介す る。 デ イ 合 は、 さらに捨 てるエ ネ ル ギ ー が増加 す る。 つ ま り、効率 の 良 い無駄 の な い お風 呂 とは、魔 法 ップ型温度差発電で は、装置 を温水 と冷水 に浸 け るだけで発電で きる。 一 般家庭 へ の 普及 を念 瓶 の よ うに保温 が良 く、沸 か したお湯 の 熱 は、 頭 に、設計 した試作機 を、2010年 に熱海温泉 で 翌 日のため に熱 回収 で きそ の 熱 を再利用 で きる こ とが重 要 であ る。 現在 の技術 で は電気 エ ネ ル ギ ー を溜 める ことは難 しいが、 エ ネル ギ ー を熱 として溜 め ることはそれほ ど難 しくはな い。 我 々の デ イ ップ型 の 水 冷 式 温 度差 発 電 装 置 は、熱 エ ネ ル ギ ーの約 5%が 電気 に変換 され る。 ここで紹介す る空 冷方式温度差発電 は、熱 エ ネ ル ギ ー の5%以 下が電気 に変換 される。 本 方式 で は、 X度 の 温 度差 を取 れ るYリ ッ ト ルの温熱源 エ ネ ル ギ ー か らは、 図 5 デ イップ型 ヒー トパ イプ・温度差発電 デ ィップ型温度差発電装 置は ヒー トパ イプを使 った温度差 発電装置 で、温 水 と冷水 に浸 けるだけでゼーベ ック素子 の 性能 を最大限に引 き出す技術である。 クリー ンエ ネルギー 201110 57 (4)温 泉廃熱利用温度差発電 ク リスマス ツ リー点灯 のため に実験 的 に使用 し た。 実効温 度差 は真 の温度差 の、 50/(95-10)2059倍 デ イップ型の温度差発電装置 では、 市販 品 の ゼーベ ック素子 (4cm× 4cm)1枚 を使用 した。 である。 利用 した 素子 は、 100度 の温 度差 で 10Wの 発電 式 (7)に 基 づ い て理 論 値 を計 算 す る と、 ヒー トパ イ プ を用 い た デ ィ ップ型 の 温 度差発 電 に 性 能 を有 し、 内部抵抗 は、167Ω で あ る。装 置 お い て、 △7∼ には、 片側あた り 5本 の ヒー トパ イプ 4、 (φ 8mm× φ6mm× 1)を 使用 して い る。 従来 の温 度差発電 の研 究で は、ゼ ーベ ック素 子 自身 の発電効率 向上 に 関す る研 究が多 く、温 7/1-2が 実現 した場 合 には、 そ の 発 電 性 能 は 従 来 の 流 し込 み 方 式 に比 べ て 、 最大約 3倍 (1/(50/85)2)に 向上 す る ことが期 待 され る。 熱海で使用 した温 度差発電装置 の 実験室 での 度差 に着 日した研 究 はあ ま り見 られ な い。 ヒー トパ イプを用 い たデ ィップ型 の温度差発電装置 性 能評価 で は、 温水 98℃ 、 冷水 5℃ の場合 、 ゼ ーベ ック素子 の オ ー プ ン起電圧 が5.86Vで あ り、 は従来 に比 べ て性 能向上 を達成 で きる。 式 (7)か ら計 算 す る と5.14Wで あ る こ とが 分 か 従 来 、 温 泉 熱利 用 の 温 度差 発 電 で は、温 水 る。 (温 度動 )と 冷水 (温 度■ )を それぞ れの パ イ 素子 メー カーの デ ー タか ら予想す る と、ゼ ー プに流 し込み、 複数 のゼー ベ ック素子 を温 水 パ ベ ック素子 の 温 度差 がloo度 の 場合 、式 (7)か ら イプ と冷水 パ イプ間に挟 んで装 着す る方法が多 オー プン起電圧yは 、 y=/4R′ P く採 用 され て きた。発 電量 を増 やす ため には、 ゼーベ ック素子 の接触表面積 を大 き くす る こと ・ ・ ・(8) であ り、 ゼ ーベ ック素子 のオー プ ン起 電圧 は、 が求め られ るが、 この様式 を用 い る と、 温水 パ イプ ・冷水 パ イプ長が長 くな り、結果 として温 100度 の温度差で8.17Vと なる。 度差発電装置が大 き くな って しま う。実効温 度 型素子 で実現 した実効温度係数 を計算す る と、 起電圧 か ら、 ヒー トパ イプを用 い たデ ィップ 差 は真 の温度差 の 6害 J以 下であ り、真 の温 度差 ∼ 0.77 を うま く利用 で きて い な い。 ここで提 案す る ヒ ー トパ イプを用 い たデ ィップ型 水冷式温度差発 ・ ・。 (9) 筍 電 を用 い れば、 熱 フラ ックスの 移動 を大 き くす にな る。 この 値 を用 い る と、 実 効 温 度 は72℃ ることで 実効温度差 を真 の温度差 に近 づ け、温 (2077× 93℃ )に な る。 つ ま り実効 温 度 は約 度差発電装置 の発電量 を最大 3倍 向上 させ る こ とが 可能である。 72℃ と予想 される。 ゼーベ ック素子 一 枚 あた りの発電量Pは 、 P=岳 =毛ギ ・ ・。 (7) DCフ ァ ン空 冷 式 温 度 差 発 電 空 冷式 では、 空気 と温泉湯 の温 度差 を利用す る。 空冷式性 能 向 上 のため に、 性 能 の 良 いDC で 与 え られ る。 式 (7)で 、 yは ゼ ーベ ック素子 の フ ァンを用 い て空 気冷却 向上 を達成 した。95度 起 電圧 、 sは ゼー ベ ック係 数、R′ はゼ ーベ ック の温 水 と25度 室温 で、 約 0.5Wの 性 能 を達成 し 素子 の 内部抵抗 、 △7は 温 度差 であ る。 ゼー ベ た。 発 電装置 で は、3cm× 3cmの ゼー ベ ック素 ック素子 の起電圧 は、ゼ ーベ ック係数 と温 度差 子 を 1枚 使 ってい る。 図 2に 示す起電圧 回路 モ に比 例 す るので、 発 電量 Pは 、温 度差 の 2乗 に デ ルで は、 発電 した電 力 を消 費す る と、ゼ ーベ 比例す る。 ック素 子両端 の 電圧 は急 激 に下が るためDCフ ヒー トパ イプを使 わない流 し込み 方式 ではいヽ 腱 クリー ンエ ネルギー 201110 ァンは止 まって しまい発電量 は落 ちる。空冷 の 温泉廃熱利用温度差発電 た め の DCフ ァ ン を安 定 して駆 動 す るた め に、 (5) を確 認 した。 本方式 で はゼ ーベ ック素子 の 出力端子 に電流制 現 在 、温 泉 の 廃 熱 だ け で な く、 ロ ウ ソ クや 自 御 したDCDC昇 圧 回路 を接続 して い る。 実験 で 動 車 ・バ イ クの廃 熱 を利 用 した空 冷 式温 度差発 はDCフ アンの消 費電力 は約 100mwに 抑 えて い 電 装 置 を構 築 中 で あ る。 現 在 の とこ ろ、 100円 るの で、 本 方 式 の 空 冷 式 温 度差発 電 に よって シ ョップの ロ ウ ソ ク 04Wの 電力が利用 で きる 温 度 差 発 電 が 可 能 であ る。 今 後 、小 型 ユ ニ ッ ト (図 6)。 1本 で 、 2W程 度 の 空 冷式 で数 十 Wの 空 冷式 廃 熱利 用 温 度差発 電装 置 を構 築 す る予 定 で あ る。 <参 考文献> (1)Y Takefuji,“ And if public transport does nOt consume nlore of energy?¨ ,Le Rail,pp 31 33(April, 2008) (2) Y Takefuli, “Known and unknown phenomena of nonlinear behaviors in the power harvesting mat and the transverse v′ ave speaker・ ', Proc of international sympOsium on nOnlinear theory and its applicatiOns, sept pp 7‐ 10 (2008) (3)小 林 三 昭 ・ 林 寛子 ・ 武藤 佳 恭 図6 空冷式温度差発電機 空冷式温度差発電装 置は、2つ の ヒー トシンクとゼーベ ッ ク素子 によ り構成 されるclつ の ヒー トパ イプ方式の ヒー トシ ンクをDCフ アンで冷や し、ゼーベ ック素子 を挟んで も う 1つ の ヒー トパ イプ方式の ヒー トシ ンクで温熱 を伝 える ことによって、温度差発電する。 床 発電 シス テ ムの 開発 "、 :“ 圧 電素 子 を駆 使 した 工 日本 業 出版 、超 音 波 テ クノ (20104) (4)小 林 三 昭 ・ 林寛子 ・武藤佳恭 :床 発電 システ ム、 エ ネ ルギーハーベ ステ ィ ングの最新動 向、CMC Book(2010) (5)武 藤佳恭 ・ 小林 三 昭 ・林寛子 :人 の 歩行 で電 気 を生み 出す床発電 システム、 OHM(2010) (6)(独 )新 エ ネル ギ ー・産業技術総 合開発機構 :温 排 水 パ イ プ に装 若 口 J能 な熱 電発 電 モ ジュー ル研 究 の 可 能性 調 査、 お わ りに :今 後 の展 開 成果報告書 (平 成20年 3月 ) 本稿 では、 温泉 な どの廃熱 を利用 した水冷式 温 度差発電装置、空冷式温 度差発電装置 を紹介 した。ヒー トパ イプを用 い た温度差発電装置 は、 従 来 に比 べ 、最大 3倍 ほ どの性 能 を発揮 す る。 4cm× 4cmゼ ーベ ック素子 一 枚 で、 温泉熱 と冷 水 で 5Wの 温 度差発 電 を達成 した。 熱湯 だ け の 空冷式温度差発電 で は、 3cm× 3cmゼ ー ベ ック 【 筆者紹介】 武藤 佳恭 慶應義塾大学 環境情報学部 教授 〒252‐ 8520 神奈川県藤沢市遠藤5322 湘南藤沢キャ ンパス E mal:takeltlii@st keiO ac」 p 素子 一 枚 で、 気 温 25度 の 時 0.5Wの 温 度差発 電 ― 優 良技術 図書 案 内 ● Exa刊 ops米 国ハイテク戦略の全貌 火田 次 郎 著 A5半 1 1761頁 定価 :1,890円 (本 体 :1,800F]) お問 い合わせは 日本 工 業 出版m販 売課 まで 販 売直通 03(3944)8001 FAX 03(3944)0389 ク リー ンエ ネル ギ ー 201110 59
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