暖炉のファンから車の排気ガスまで、FerroTec Pioneer Thermoelectric がどのように「温度差発電」を行っているかをご覧ください。
人々の生活の質の向上に伴い、冬の暖房に暖炉を利用する家庭が増えています。この時、暖炉の横に小型の扇風機を置くだけで、室内の暖かさを大幅に高めることができます。この扇風機は「暖炉ファン」と呼ばれ、この温熱現象は本質的に「温度差発電」によるものです。
1.熱電発電の原理：ゼーベック効果
「熱電発電」という言葉は一見高度な技術のように聞こえるかもしれませんが、もはや新しい技術ではありません。19世紀初頭、ドイツの物理学者トーマス・ヨハン・ゼーベックは熱電発電の原理である「ゼーベック効果」を発見しました。ゼーベック効果は最初の熱電効果であり、異なる2つの物質の接合部に温度差があると、接合部に電圧が発生する現象を指します。簡単に言えば、半導体材料の両端に適切な温度差を与えるだけで、熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換できるということです。次に、熱電発電の一般的な用途をいくつか見ていきましょう。
▲ ゼーベック効果 - ペルチェ効果の逆過程
2.暖炉ファン：温度差発電の典型的な応用例
冬に暖炉に火をつけると、炉の表面温度は100℃に達することがありますが、周囲の空気の温度は通常20℃程度です。この時、ファンベース内のTEC発電シートが働き始めます。発電シートの片側を高温の炉体に近づけ、もう片側を空気に向けます。両端の温度差によってゼーベック効果が発生し、電子が高温端から低温端へと移動して電流が発生します。このようにして流れる熱が電気エネルギーを生み出し、ファンを回転させることで暖かい空気を隅々まで届け、暖炉の暖房効率を30%以上向上させます。
▲ 暖炉ファン（温度差発電の代表的な用途）
3.廃棄物を電気に変える：車の排気ガスも電気を生み出す
多くの人は、車の排気ガスに隠された膨大な「無駄なエネルギー」に気づいていません。走行中の排気管からの排気温度は500℃にも達し、これは燃料エネルギーの約30%が失われていることを意味します。そこでエンジニアたちは、排気管に「熱電変換モジュール」（TEG、Thermoelectric Generator）を設置し、この廃熱の一部を再利用するという画期的なアイデアを思いつきました。
熱電変換モジュールの片面は車の排気ガスに直接接触し、排気ガスの熱を吸収する役割を担っています。反対側では、通常、空冷または水冷を用いて熱を放散させ、周囲温度に近づけます。この両側の温度差を利用して発電し、発電された電力は車載電化製品に供給したり、バッテリーに蓄電してバックアップとして使用したりします。
4.温度差発電の可能性が広がる
熱電発電は、設置が簡単で、動作音が静かで、電源接続が不要で、メンテナンスが容易など、多くの利点があるため、1960年代初頭から航空宇宙分野や軍事分野で広く利用されてきました。例えば、米国はかつて、放射性同位元素によって発生する温度差を利用して、10年以上にわたり深宇宙探査機に安定した電力を供給していました。
中国でも多くの研究者が温度差発電技術を火力発電所の排熱回収や産業廃ガス発電の分野に応用し、もともと無駄になっていた熱エネルギーを「拾い上げて」再利用している。
しかし、現在の商用発電パネルのエネルギー変換効率は一般的に20％～25％に過ぎず、パネル単体の出力にも限界があるため、高エネルギー需要のアプリケーションシナリオに対応することは困難です。そのため、大規模なアプリケーションを実現するには、複数のパネルを直並列に接続したエネルギー貯蔵システムを組み合わせる必要があります。温度差発電技術は成熟度が高まっていますが、広く普及するには、効率向上、システム統合、コスト管理といった面で最適化とブレークスルーを達成する必要があります。
この記事を読むことで、「熱電発電」が生活に非常に近い存在であることがより明確に理解できました。暖炉付近の温度差、排気管の廃熱…こうした目に見えない熱エネルギーを電気エネルギーに変換する可能性を秘めています。「熱電発電」はもはや単なる実験室での物理現象ではなく、将来の新エネルギー開発の新たな方向性を示しています。
