物理学では、エネルギーは生成したり破壊したりすることはできず、形を変えることしかできないことがわかっています。これはエネルギー保存の法則であり、エンジニアはエネルギーをより有用な形に変換する方法を見つけるよう促されます。
熱を電気エネルギーに直接変換できる火力発電がその好例です。この効果はトーマス ゼーベックによって最初に発見され、現在ではゼーベック効果として知られており、熱電発電機 (TEG) と呼ばれるデバイスに適用されています。これらのソリッドステートデバイスが実用化において大きな進歩を遂げたのは 20 世紀になってからであり、最初の商用バージョンは 1960 年代に登場しました。それ以来、TEG はさまざまな種類の応用分野に参入してきました。
TEGモジュールの基礎知識
熱電発電機モジュール (通常 TEG と呼ばれる) の動作原理は、温度差を電圧に、またはその逆に変換することです。この特性は熱電効果と呼ばれ、これには 3 つの関連部分が含まれます。1) ゼーベック効果。温度勾配によって電気を生成します。 2) ペルチェ効果とは、電流が 2 つの異なる材料を流れるときの熱の吸収または放出を指します。 3) トムソン効果とは、電流の流れの方向に基づく熱の発生または吸収を指します。
熱電技術における一般的な混乱点は、熱電発電機 (TEG) と熱電冷却器 (TEC) の違いです。 TEG はゼーベック効果を利用して熱によって発電するのに対し、TEC はペルチェ効果を利用して冷却または安定した温度を維持します。これらの効果はどちらも同様の半導体材料に依存していますが、設計が異なります。TEG は高温差動と効率的な出力を実現できますが、TEC はセラミックや銅などの材料を使用して熱伝導を最適化します。
実際、熱エネルギーを使用して発電することが目的の場合、TEG モジュールは正しい選択です。 TEC またはペルチェ モジュールは、冷却または温度の安定性においてより効果的です。 Same Sky は TEG モジュールとペルチェ モジュールの両方を提供しているため、設計ニーズに応じて適切なデバイスを選択しやすくなっています。
最新の熱電発電機 (TEG) では、高温の表面と低温の表面の間に温度差があるときに電気エネルギーが生成されます。モジュール内部では、複数の n 型半導体と p 型半導体 (通常テルル化ビスマスで作られている) のペアが 2 枚のプレートの間に配置されています (図 1)。 n 型材料では、電子は高温側から低温側に流れますが、p 型材料では、その移動は正孔 (電子空孔) の同じ方向への移動によって引き起こされます。これら 2 つの流れが共同して電圧を生成し、温度差が大きいほど出力電圧が高くなります。
TEG は、失われたエネルギーの回復に役立つため、工業生産などの熱廃棄が発生する可能性がある状況で特に価値があります。 TEG は遠隔地や極端な環境でも動作できます。たとえば、太陽光が不十分な場合、放射性崩壊によって発生する熱が電気エネルギーに変換され、宇宙探査機に電力が供給されます。
TEGモジュールの共通構造
図 1: TEG モジュールの共通構造。 （画像出典：セイムスカイ）
TEGのメリットとデメリット
熱電半導体発電 (TEG) モジュールの主な利点は、廃熱を使用可能な電気エネルギーに変換する能力であり、これにより、本来失われるエネルギーの回収に役立ちます。したがって、TEG モジュールは実用的なだけでなく、環境にも優しいのです。
TEG はソリッドステート デバイスであるため、可動部品がないため、このモジュールには可聴ノイズがなく、頑丈で耐久性があり、メンテナンスがほとんど必要ありません。このモジュールはコンパクトな外観を持ち、狭いスペースに設置でき、信頼性の高い電力を供給するために従来の電力網に依存せずに複数の電圧と電流を提供します。このため、TEG はリモート デバイスや代替バッテリー システムにとって理想的な選択肢となります。
熱電発電機 (TEG) は信頼性の高い電源を提供しますが、設計上の制限もあります。この発電機の性能は大きな温度差に大きく依存するため、温度勾配のある特定の用途での使用が制限されます。さらに、TEG の変換効率は通常低く、通常は約 10% ですが、これは他の多くのエネルギー生成技術と比較して高くありません。
TEGの主な選定基準
熱電発電機 (TEG) モジュールをシステムに統合する場合は、その性能に直接影響する主要な仕様を考慮する必要があります。発電機の動作において最も重要な要素は、高温表面と低温表面の間の温度差 (通常、Δ T と呼ばれます) です。これは TEG の発電量に影響しますが、データ テーブルには常にこのように表示されるわけではありません。それどころか、メーカーは通常、安全な動作温度の最高値である Tmax を記載しています。これは極端な条件を判断するのに役立ちますが、必ずしも最適な動作条件であるとは限りません。
その他の有用な仕様には、開回路電圧、整合負荷電圧、電流、抵抗、電力などがあります。これらの値を通じて、実際の熱負荷および電気負荷の下での熱電発電機の性能を理解できます。データ テーブル (Same Sky のデータ テーブルなど) では、この情報は通常、システム レベルの設計を容易にするためにテーブル (図 2) とパフォーマンス グラフ (図 3) の形式で表示されます。