排熱の有効な利用法とは?
 エネルギー資源の少ない日本。捨てられる排熱を資源として有効利用しようとするシステムがある。

 これには「コージェネレーション(コージェネ)」が思い浮かぶ。これは、内燃機関、外燃機関等の排熱を利用して動力・温熱・冷熱を取り出し、総合エネルギー効率を高める、エネルギー供給システムのひとつである。「コージェネ」で実用化されているものに、家庭用燃料電池「エネファーム」がある。

 しかし、排熱の利用法には、他にもいろいろな方法ある。そのひとつが「排熱発電(熱電発電)」だ。これは排熱と周囲との温度差を利用して発電する方法で、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」。 もう一つの発電方法は、半導体の「ゼーベック効果」を利用した「ゼーベック温度差発電」である。
 今回、このゼーベック効果を利用した、新技術「熱発電チューブ」の検証実験が、京都市のごみ焼却施設で始まった。ごみの焼却時に発生する低温の排熱から電気を作り出せる新しい技術で、パナソニックが開発した。これまで廃棄されてきた熱を有効利用することができる、まさに再生可能エネルギーである。


 ごみを焼却する際には高温の熱が生じるため、その高熱で蒸気を作ってタービンを回して発電することができる。これが一般的な「ごみ発電」で、基本的な仕組みは火力発電と同じだ。パナソニックが開発した「熱発電チューブ」は低温の熱を利用できる点で従来のごみ発電とは大きく違う。

 通常のごみ発電の設備では、発電した後に低温の排熱が大量に放出される。これまでは大気に放出していたが、熱発電チューブを使うと低温の排熱で再び発電することが可能になる。その分だけ全体のエネルギー効率を高めることができる。

 パナソニックによれば、熱が伝わりにくい金属と伝わりやすい金属を交互に傾斜させて積み重ねたチューブを作ると、熱の流れと垂直な方向に電気が流れる現象が起こる。そこでチューブの内側に温水、外側に冷水を流すことにより、温度差が生じて発電する仕組みだ(ゼーベック効果)。

 検証実験では24時間連続運転を実施して、発電能力などを確認する予定だ。ごみ焼却時に発生する熱のうち利用できていない低温の熱から作った温水と、施設内の冷却水を組み合わせて、熱発電チューブユニットで400ワット/立方メートル以上の電力を作り出すことを目標にする。2014年3月まで実験を続ける。

 熱発電チューブと同様に低温の熱を利用した発電方法として「バイナリー発電」がある。最近では温泉発電などに利用され始めた。低温の熱からでも発電できる技術が進むことで、新たな再生可能エネルギーの活用法が広がっていく。(スマートジャパン:低温の廃熱を利用できる熱発電チューブ開発

 次に掲載する文章は、2012年、先端技術大賞・特別賞を受賞したパナソニックの「未利用熱エネルギーを活用するための熱発電チューブの開発」からの抜粋である。


 研究開発のコンセプト
 化石燃料の消費に伴う排熱や、地熱・温泉熱をはじめとする未利用熱の有効活用は長年の課題であった。未利用熱の大部分は熱としては低温で200 ℃以下の蒸気・ガス・温水などの流体である。低い温度の流体から効率良く熱を回収するために、チューブ形状の熱電発電デバイス「熱発電チューブ」を考案し、その実証に成功した。

 熱電変換による発電量「P」 は入力される熱量「JQ」 に変換効率「η」 を乗じた「 P = ηJQ 」 で表される。したがって発電量を増やすためには変換効率と入力熱量のどちらか、あるいは両方を高める必要がある。しかしその実現は簡単ではない。熱電変換ではシステムの設計によって入力熱量および発電効率が相反して変化するからである。

 一般的に熱電材料に生じる温度差が大きければ変換効率は上がる。しかし一方、安易に温度差を大きくするためにシステム全体の熱抵抗を高くして断熱的にすれば、入力熱量は減ってしまう。この結果、発電量の低下という不都合が生じる。熱源の供給にランニングコストがかかるような場合には変換効率を上げることは確かに重要である。

 しかし、未利用熱はもともと捨てているもの、と割り切れば如何にコンパクトなシステムで大きな発電量を達成し、熱エネルギーの有効な回収を進めていくかということが最も重要な課題となる。そのためにはシステム熱抵抗を低熱の流れに伴って熱電材料の中を電荷が流れる。隣り合う材料では電荷がプラス(P型)とマイナス(N型)で異なるので電流が滞り無く流れる。

 入力熱量を高めるために、伝熱性能の高い熱交換器の構造を模して熱電発電デバイスを構成すれば良いのではないかと我々は考えた。熱交換器は高温の流体から効率良く熱を取り込み、低温の流体へ熱を移動させる機器で、エアコンやボイラー、飲料の殺菌など様々な用途で使われている。熱交換器での伝熱現象の理解はかなり進んでおり、用途に応じて最適な伝熱設計を行うことも可能となっている。

 この知見を活かせば、温水など未利用熱からの入力熱量を増大することができる。熱電発電デバイスをチューブ形状にしてボイラーなどと同じような構造にできれば理想的である。しかしこれまでの熱電発電デバイスでは、熱電材料を電極で複雑に繋ぎ合わせる必要があるため現実的には平板型にするほか無く、熱交換器のような構造にすることは不可能であった。チューブ型のデバイス構成を実現するためには、新たな仕掛けが必要となる。


 熱と電気の独立制御で実現する「熱発電チューブ」
 チューブ型の熱電発電デバイス、熱発電チューブを実現するために、我々は次のような構造を考案した。熱発電チューブを冷水ジャケットに組み込み、チューブの中に温水を流し、外を冷水で冷やすことによって温度差をつける仕組みになっている。この構成は液体を加熱・冷却する際に用いるシェル・アンド・チューブ型熱交換器と同様のものである。発電で生じた電力は熱発電チューブの両端に電線を接続して簡便に取り出すことができる。

 熱発電チューブは熱の伝わりにくい熱電材料と熱が伝わりやすい金属が、チューブの軸方向(z 方向)に対してθだけ傾いて交互に積み重なった積層構造体となっている。

 熱発電チューブでは、熱はチューブの内側から外側、すなわち動径方向に流れるのに対し、電流はチューブの軸方向を流れる。このように熱流と電流を直交させることにより、複雑に電極を張り巡らせることなく、簡便にチューブ型の構造を実現することが可能になった。この点で、熱流と電流が常に互いに平行となる従来の平板型熱電発電デバイスとは大きく異なっている。

 熱流と電流が直交するという、一見不自然な現象がなぜ可能となるかを明らかにするために、熱発電チューブの発電時のシミュレーション結果を図7 に示す。熱発電チューブの中では図7(a)のように積層構造に対応して、不均一で歪んだ温度分布が形成されている。熱電材料と金属とでは熱伝導率に100倍近い差があり、より熱の伝わりやすい金属に引き寄せられるように熱流が曲げられているのである。

 そして熱流から変換されて生じる電流は傾斜した積層体の中をジグザグに進み、熱発電チューブの軸方向(z 方向)に流れていく。ミクロに見れば確かに電流は熱流に沿って流れているのだが、マクロの現象としては熱流と電流は互いに直交するのである。

 本研究の積層構造体をはじめとする人工的に構成された複合材料は、時にマクロの性質として自然に存在する単一の物質ではありえないような特性を示すことがある。複合材料の実効的な性質は、構成材料の物理特性と等価回路などを考慮することで導出することができる。所望の特性に応じて構成材料を選択したり、組み合わせる比率や配置を適宜調整したりできるので、その設計の自由度は高い。


 排熱発電・熱電発電とは何か?
 排熱発電(廃熱発電)とは、排出され大気中や水中に廃棄される熱水を利用した発電方法である。一般に廃熱はあまり高温ではないことからスターリングエンジンや熱電変換素子を用いることが多いが、太陽光を集約し高温を得てから発電することにより汽力発電を行うものもある。

 現在は、熱電変換素子により地熱、工場の排熱、宇宙空間における排熱を利用しているものが多い。また自動車の燃料の3分の2が使用されずに熱として排出されているものを利用した発電なども研究が進められている。

 熱電発電(thermoelectric generation)とは、広義にはゼーベック効果による熱電変換素子、アルカリ金属熱電装置(AMTEC)、熱電子発電装置(TIC)、PETE素子などの熱電素子をもちいて熱エネルギーを電力エネルギーに変換する発電法である。狭義にはこの内、ゼーベック効果による熱電変換素子を用いた発電を意味する。

 熱電変換素子(Thermoelectric conversion element)とは、熱と電力を変換する素子。熱電素子の一種である。2種類の異なる金属または半導体を接合して、両端に温度差を生じさせると起電力が生じるゼーベック効果を利用する。大きな電位差を得るためにp型半導体、n型半導体を組み合わせて使用される。

 熱電変換素子は、多数の素子を板状、または円筒状に組み合わせた熱電モジュールとして使用される。 熱電変換素子材料としては、

・常温から500Kまで・・・ビスマス・テルル系(Bi-Te系)
・常温から800Kまでは鉛・テルル系(Pb-Te系)
・常温から1000Kまではシリコン・ゲルマニウム系(Si-Ge系)

 が使用されている。 熱電変換素子を利用した熱電発電は地上用発電、人工衛星用の電源として利用されている。熱電素子は可動部分が存在しないため、長寿命でかつ長期にわたって保守作業を必要としないという特長がある。

 これは人工衛星の電源として極めて重要な特性であるため、1960年代から米国と旧ソ連により宇宙探査衛星用電源目的のための研究が行われてきた。その結果、自発核分裂で生じたα線粒子の吸収によって発生する熱エネルギーを熱電素子によって電力に変換する原子力電池が実用化され、多くの人工衛星用電源として使用された。現在その用途の多くは太陽電池に置き換えられたが、太陽からの光エネルギーが少なく太陽電池が利用できない木星より外側を探査するパイオニア計画やボイジャー計画、火星で夜間も活動する火星探査機キュリオシティなどの衛星では現在でも使用されている。

 この人工衛星用に開発された原子力電池は送電線や他の機器を必要としないなどの利点から、かつて灯台など遠隔地での発電装置(放射性同位体熱電気転換器参照の事)として用いられた。また、ランプなどの熱を利用した熱電発電をラジオ用電源として利用されることもあった。しかし、ディーゼルエンジンなどの発電機が故障も少なく安価で入手できるようになるとそれら用途の熱電発電を置き換え、現在地上での用途は一部の軍用目的以外消滅した。

 しかし、近年熱電発電は廃熱から電力エネルギーを直接回収する技術として世界的に注目が集まり、日本では新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の支援のもと、何度かのプロジェクトが組まれた[4]。現在、これらの成果をもとに民生及び産業の分野から発生する工場や自動車の排熱、地熱や温泉の熱などの未利用熱エネルギーを電気エネルギーとして利用するための手段として研究開発が進められている。(Wikipedia)


参考HP Wikipedia:熱電発電 熱電変換素子 排熱発電 先端技術大賞:熱発電チューブの開発


燃料電池発電システムと熱計算
クリエーター情報なし
オーム社
熱電変換システム設計のための解析―ペルチェ冷却・ゼーベック発電
クリエーター情報なし
森北出版

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