熱電発電機

熱電発電機（TEG ）は、ゼーベック発電機とも呼ばれ、ゼーベック効果^{[ 1 ]} （熱電効果の一種）と呼ばれる現象によって、熱（温度差によって生じる）を直接電気エネルギーに変換する固体デバイスです。熱電発電機は熱機関のように機能しますが、かさばらず、可動部品がありません。ただし、TEGは一般的に高価で効率が低くなります。^{[ 2 ]}同じ原理を逆に使用して電流から熱勾配を作成する場合、熱電（またはペルチェ）冷却器と呼ばれます。

熱電発電機は、発電所や工場で廃熱を電力に変換したり、自動車の自動車用熱電発電機（ATG）として燃費を向上させるために使用したりできます。放射性同位体熱電発電機は、放射性同位体を使用して宇宙探査機に電力を供給するために必要な温度差を生成します。^{[ 2 ]}熱電発電機は、ソーラーパネルと併用することもできます。^{[ 3 ] [ 4 ]}

1821年、トーマス・ヨハン・ゼーベックは、2つの異なる導体の間に形成される温度勾配によって電気が発生することを発見した。^{[ 5 ] [ 6 ]} 熱電効果の核心は、導電性材料内の温度勾配によって熱の流れが生じ、その結果、電荷キャリアが拡散することである。高温領域と低温領域の間での電荷キャリアの流れによって、電圧差が生じる。1834年、ジャン・シャルル・アタナス・ペルティエは、2つの異なる導体の接合部に電流を流すと、電流の方向に応じて、ヒーターまたはクーラーとして作用するという逆の効果を発見した。^{[ 7 ]}

ジョージ・コーブは、1909年に熱電対を用いた熱電発電機を発明しようとしていたにもかかわらず、偶然にも太陽光発電パネルを発明した。^{[ 9 ]}彼は、熱だけでは発電せず、入射光のみで発電すると述べているが、その仕組みについては説明できなかった。現在では、その動作原理はショットキー接合の非常に単純な形態であることが理解されている。

TEGの一般的な効率は5～8%程度ですが、それ以上になる場合もあります。古いデバイスはバイメタル接合を使用しており、かさばっていました。最近のデバイスは、用途の温度に応じて、テルル化ビスマス（Bi ₂ Te ₃）、テルル化鉛（PbTe）^{[ 10 ]} 、酸化カルシウムマンガン（Ca ₂ Mn ₃ O ₈）^{[ 11 ] [ 12 ]} 、またはそれらの組み合わせ^{[ 13 ]}から作られた高濃度ドープ半導体を使用しています。これらは固体デバイスであり、ダイナモとは異なり、熱伝達を改善するためのファンやポンプを除いて可動部品はありません。高温領域が約1273Kで、 ZT値が3～4の場合、効率は約33～37%となり、TEGは特定の熱機関の効率と競合することができます。^{[ 14 ]}

2021年現在、ZT値が3を超える材料（広く入手可能で安価なヒ素やスズを含むものもある）が存在する。単層${\displaystyle {\ce {AsP3}}}$（アームチェア軸上でZT = 3.36）n型ドープ${\displaystyle {\ce {InP3}}}$(ZT = 3.23); p型ドープ${\displaystyle {\ce {SnP3}}}$(ZT = 3.46); p型ドープ${\displaystyle {\ce {SbP3}}}$(ZT = 3.5)。^{[ 15 ]}

熱電発電機は、熱電材料、熱電モジュール、熱源と接続する熱電システムの3つの主要コンポーネントで構成されています。^{[ 16 ]}

熱電材料

熱電材料は、温度差を電圧に変換することで、熱から直接電力を生成します。優れた熱電材料となるためには、高い電気伝導率（σ）と低い熱伝導率（κ）の両方が必要です。熱伝導率が低いということは、片側が熱くなってももう片側は冷たいままであり、温度勾配がある状態で大きな電圧を生成するのに役立ちます。材料の温度差に応じて電子が流れる量の大きさは、ゼーベック係数（S）で表されます。特定の材料の熱電発電効率は、その「性能指数」zT = S ² σT/κで簡単に推定できます。

長年にわたり、熱伝導率が低く、かつパワーファクターが高い半導体として知られていたのは、テルル化ビスマス（Bi₂Te₃）、テルル化鉛（PbTe）、およびシリコンゲルマニウム（SiGe）の3種類でした_。これらの材料_の中には、希少元素を含むものもあり、そのため高価です。

今日では、ナノテクノロジーを用いることで、半導体の優れた電気特性を損なうことなく熱伝導率を低下させることが可能になっている。これは、バルク半導体材料中に粒子、ワイヤー、界面といったナノスケールの構造を形成することによって実現できる。しかしながら、ナノ材料の製造プロセスは依然として課題が多い。

現在までに知られている材料のうち、熱電材料として特定されているものはごくわずかです。今日のほとんどの熱電材料は、室温でのテルル化ビスマス（Bi ₂ Te _{3 ）や500～700 Kでの}テルル化鉛（PbTe）のように、性能指数であるzTの値が約1です。しかし、他の発電システムと競争力を持つためには、TEG材料はzTが2～3である必要があります。熱電材料の研究のほとんどは、特に熱電材料のナノ構造を操作することによって、ゼーベック係数（S）を増加させ、熱伝導率を減少させることに焦点を当てています。熱伝導率と電気伝導率はどちらも電荷キャリアと相関しているため、必要なように、高い電気伝導率と低い熱伝導率の間の矛盾を解消するために新しい手段を導入する必要があります。^{[ 23 ]}

熱電発電用の材料を選択する際には、他にも考慮すべき要素がいくつかあります。理想的には、動作中、熱電発電機には大きな温度勾配があります。熱膨張によってデバイスに応力が発生し、熱電素子の破損や結合材料からの分離を引き起こす可能性があります。材料の機械的特性を考慮し、n型およびp型材料の熱膨張係数を適切に一致させる必要があります。セグメント化された^{[ 24 ]}熱電発電機では、セグメント層間の相対電流（電気電流と拡散熱電流の比として定義される）の不適合を避けるために、材料の適合性も考慮する必要があります。

材料の適合係数は次のように定義されます。

${\displaystyle s={\frac {{\sqrt {1+zT}}-1}{ST}}}$[ ^{25 ]​}

セグメント間の適合係数が約2倍以上異なる場合、デバイスは効率的に動作しません。s（およびzT）を決定する材料パラメータは温度依存性があるため、適合係数は、同一セグメント内であっても、デバイスの高温側から低温側へと変化する可能性があります。この挙動は自己適合性と呼ばれ、広範囲の温度用途向けに設計されたデバイスでは重要となる場合があります。

一般的に、熱電材料は従来材料と新材料に分類できる。

新素材

研究者たちは、性能指数zTを向上させることで発電用の新しい熱電材料を開発しようとしている。これらの材料の一例として、半導体化合物β-Zn4Sb3があり_、これは非常に低い熱伝導率を持ち、670Kの温度で最大zT 1.3を示す。この材料は比較的安価で、真空中でこの温度まで安定しており、Bi2Te3とPbTeをベースとした材料の間の温度範囲で良い代替品となる可能性がある_。 [ 23 ^]熱電材料における最も刺激的な開発の1つは、一方向で記録的なzT 2.6を生成した単結晶スズセレン化物の開発である。_[ 27 ]^{その他注目す}べき新しい材料には、スクッテルダイト、テトラヘドライト、ラトリングイオン結晶などがある。

性能指数を向上させることに加えて、電力出力の増加、コストの削減、環境に優しい材料の開発によって、新しい材料の開発にますます注目が集まっている。例えば、廃熱回収のように燃料コストが低いかほぼ無料の場合、ワットあたりのコストは単位面積あたりの電力と運転期間のみによって決まる。その結果、変換効率よりも高出力の材料の探索が始まった。例えば、希土類化合物YbAl3は_性能指数は低いが、他のどの材料よりも少なくとも2倍の出力を持ち、廃熱源の温度範囲で動作することができる。^{[ 23 ]}

熱電発電機（TEG）は、さまざまな用途に利用されています。多くの場合、低電力の遠隔地用途や、スターリングエンジンなどの大型で高効率な熱機関が設置できない場所で使用されます。熱機関とは異なり、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために使用される固体電気部品には可動部がありません。熱エネルギーを電気エネルギーに変換する部品は、メンテナンスが不要で、本質的に高い信頼性を持ち、長期間メンテナンスフリーで使用できる発電機を構築できます。そのため、熱電発電機は、山頂、宇宙空間、深海など、遠隔地の無人地帯やアクセス困難な場所で、低～中程度の電力ニーズを持つ機器に最適です。

熱電発電機の主な用途は以下のとおりです。

• 火星探査車キュリオシティを含む宇宙探査機は、放射性元素を熱源とする放射性同位体熱電発電機を用いて発電する。
• 廃熱回収。あらゆる人間の活動、輸送、産業プロセスは廃熱を発生させ、自動車、航空機、船舶、産業、人体から残留エネルギーを回収することが可能です。^{[ 1 ]}自動車の場合、主なエネルギー源は排気ガスです。^{[ 32 ]}熱電発電機を使用してその熱エネルギーを回収すると、自動車の燃費を向上させることができます。熱電発電機は自動車のオルタネーターの代替として研究されており、燃料消費量が3.45%削減されることが実証されています。^{[ 33 ]}将来の改善予測では、ハイブリッド車の走行距離が最大10%増加するとされています。^{[ 34 ]}ガソリンエンジンの方がディーゼルエンジンよりも潜在的なエネルギー節約効果が高い可能性があるとされています。^{[ 35 ]}詳細については、記事「自動車用熱電発電機」を参照してください。航空機の場合、エンジンノズルがエネルギー回収に最適な場所として特定されていますが、エンジンベアリングからの熱や航空機の外皮に存在する温度勾配も提案されています。^{[ 1 ]}
• 熱電発電機は、主に無人サイト向けの遠隔地およびオフグリッド電源として使用されます。可動部品がないため（事実上メンテナンスフリー）、昼夜を問わず稼働し、あらゆる気象条件下で動作し、バッテリーバックアップなしでも動作できるため、このような状況では最も信頼性の高い発電機です。太陽光発電システムも遠隔地に導入されていますが、太陽光照射量が少ない場所、つまり高緯度で雪が降ったり日照がない地域、雲や樹冠に覆われた地域、砂漠、森林などでは、太陽光発電は適切なソリューションではない可能性があります。熱電発電機は、例えば陰極防食、無線通信、テレメトリのために、ガスパイプラインで一般的に使用されています。最大5kWの電力消費のガスパイプラインでは 、熱発電機が他の電源よりも好ましいです。ガスパイプライン用発電機のメーカーは、Global Power Technologies（旧Global Thermoelectric）（カナダ、カルガリー）とTELGEN（ロシア）です。
• マイクロプロセッサは廃熱を発生させる。研究者たちは、そのエネルギーの一部をリサイクルできるかどうかを検討してきた。^{[ 36 ]}（ただし、発生する可能性のある問題については下記を参照）。
• 熱電発電機は、独立した太陽熱セルとしても研究されてきた。熱電発電機の統合は、効率4.6%の太陽熱セルに直接統合されている。^{[ 37 ]}
• メリーランド州ボルチモアにあるマリタイム・アプライド・フィジックス社は、冷たい海水と熱水噴出孔、熱水湧出、または掘削された地熱井から放出される高温流体との温度差を利用して、深海の海底で発電する熱電発電機を開発している。海底の信頼性の高い電力源は、地質学、環境学、海洋科学で使用される海洋観測所やセンサー、海底鉱物・エネルギー資源開発業者、および軍事用途に必要とされている。最近の研究では、大規模発電所向けの深海熱電発電機も経済的に実現可能であることがわかっている。^{[ 38 ]}
• カナダのブリティッシュコロンビア州出身のアン・マコシンスキーは、ペルチェ素子を用いて熱（人間の手^{[ 39 ]} 、額、温かい飲み物^{[ 40 ]}から）を収集する装置をいくつか開発し、 LEDライトを点灯させたり、モバイル機器を充電したりするのに十分な電力を生成できると主張しているが、発明者はLEDライトの明るさが市販品に比べて劣ることを認めている^{[ 41 ] 。}
• 熱電発電機はストーブファンに使用されています。これらは薪や石炭を燃やすストーブの上に設置されます。TEGは2つのヒートシンクの間に挟まれており、温度差によってゆっくりと回転するファンが駆動し、ストーブの熱を室内に循環させるのに役立ちます。^{[ 42 ]}

効率が低くコストも比較的高いことに加え、熱電素子を特定の用途で使用する際には、電気出力抵抗が比較的高いため自己発熱が増加し、熱伝導率が比較的低いため、マイクロプロセッサなどの電気機器からの放熱のように放熱が重要な用途には適さないといった実際的な問題が存在する。

• 高い発電機出力抵抗：デジタル電気機器が必要とする範囲の電圧出力レベルを得るために、発電機モジュール内に多数の熱電素子を直列に配置するのが一般的な方法です。素子の電圧は上昇しますが、出力抵抗も上昇します。最大電力伝送定理によれば、電源抵抗と負荷抵抗が完全に一致するときに、負荷に最大の電力が供給されます。インピーダンスがゼロオームに近い低インピーダンス負荷の場合、発電機抵抗が上昇すると、負荷に供給される電力は減少します。出力抵抗を下げるために、市販の機器の中には、直列接続する素子の数を減らし、並列接続する素子の数を増やし、昇圧レギュレータを使用して負荷が必要とする電圧まで電圧を上昇させるものがあります。
• 熱伝導率が低い：デジタルマイクロプロセッサなどの熱源から熱エネルギーを運び去るには非常に高い熱伝導率が必要であるため、熱電発電機の熱伝導率が低いと、熱回収には適さない。
• 空気による冷側放熱：自動車のクランクケースから熱エネルギーを回収する場合など、空冷式の熱電発電では、大量の熱エネルギーを周囲の空気に放散する必要があるため、大きな課題となります。熱電発電機の冷側温度が上昇すると、デバイスの差動動作温度が低下します。温度が上昇すると、デバイスの電気抵抗が増加し、発電機の寄生的な自己発熱が大きくなります。自動車用途では、放熱を改善するために補助ラジエーターが使用されることがありますが、冷却液を循環させるために電動ウォーターポンプを使用すると、発電機の総出力電力に寄生損失が加わります。船内エンジンの高温のクランクケースから熱電発電を行う場合のように、熱電発電機の冷側を水で冷却すれば、この欠点は生じません。水は空気に比べてはるかに効果的に使用できる冷却剤です。

TEG技術は数十年にわたり軍事および航空宇宙分野で使用されてきましたが、低温または高温の廃熱を利用して発電する新しいTE材料^{[ 49 ]}およびシステムが開発されており、近い将来、大きな機会をもたらす可能性があります。これらのシステムはあらゆる規模に拡張可能であり、運用および保守コストも低く抑えられます。

熱電発電機の世界市場は、2015年に3億2,000万米ドル、2021年に4億7,200万米ドルと推定され、2030年には14億4,000万米ドルに達し、年平均成長率（CAGR）は11.8%になると予測されています。^{[ 50 ]}現在、北米が市場シェアの66%を占めており、近い将来も最大の市場であり続けるでしょう。^{[ 51 ]}しかし、アジア太平洋地域とヨーロッパ諸国は、比較的高い成長率で成長すると予測されています。ある調査によると、アジア太平洋市場は、自動車産業による燃料効率全体の向上を目的とした熱電発電機の高い需要と、同地域の工業化の進展により、2015年から2020年の期間に年平均成長率（CAGR）18.3%で成長すると予測されています。^{[ 52 ]}

小型熱電発電機も、充電の削減または代替、充電時間の延長を目的としたウェアラブル技術において初期段階の研究段階にある。最近の研究では、ナイロン基板上に柔軟な無機熱電材料であるセレン化銀を新たに開発することに焦点を当てている。熱電材料は、人体から直接エネルギーを収穫することで自己給電デバイスを作り出すため、ウェアラブル機器との相乗効果が特に高い。あるプロジェクトでは、ナイロン膜上にn型セレン化銀を使用した。セレン化銀は、高い電気伝導率と低い熱伝導率を持つ狭バンドギャップ半導体であり、熱電用途に最適である。^{[ 53 ]}

低電力TEGまたは「サブワット」（つまり、最大1ワットのピーク電力を生成）市場は、最新技術を活用したTEG市場の成長分野です。主な用途は、センサー、低電力アプリケーション、そしてよりグローバルにはIoTアプリケーションです。専門の市場調査会社によると、2014年には10万台が出荷され、2020年までに年間900万台に達すると予測されています。^{[ 54 ]}

• カレンダー、ヒュー・ロングボーン（1911）。「熱電」 。ブリタニカ百科事典。第 26巻（第11 版）。814 ～ 821ページ。 
• G.ジェフリー・スナイダー著『小型熱電発電機』
• カネロス、M.（2008年11月24日）。アメリカの秘密の動力源を活用する。Greentech Mediaより2009年10月30日に取得。ウェブサイト：アメリカの秘密の動力源を活用する
• LTジャーナル2010年10月号：超低電圧エネルギーハーベスターが熱電発電機を用いてバッテリー不要のワイヤレスセンサーを実現
• DIY：安価なペルチェ素子を使った熱電発電機の作り方
• ジェンサーム社
• この装置は、冷たい夜空を利用して暗闇の中で発電する。