熱電発電機について：TEGモジュールが熱を電力に変換する方法
熱電発電とは？
物理101を学ぶと、私たちはエネルギーを作ったり破壊したりすることはできなくとも、異なる形に変えることはできることを教えてくれます。熱力学の第一法則としても知られるエネルギー保存法の制定以来、エンジニアはエネルギーをより簡単に使用できる形に変える方法を見つけようとしてきました。
その方法の1つは、熱電発電、または熱エネルギーの電気エネルギーへの変換です。トーマス・シーベックによって最初に発見された、シーベック効果として知られる熱の電気への直接変換は、熱電発電機（TEG）として知られるソリッドステートデバイスでの近代的で実用的なアプリケーションと言えます。しかし、TEGデバイス技術がようやく進歩し始めたのは20世紀に入ってからで、1960年に最初の商用アプリケーションが導入されました。現在、TEGはさまざまなアプリケーションで使用されています。
熱電発生器（TEG）モジュールとは？
熱電発電機モジュール、TEGモジュール、またはTEGは、熱電効果に依存しています。熱電効果とは、材料の温度差を電圧に変換すること、またはその逆です。熱電効果は、3つの関連する態様を包含する：前述のゼーベック効果は、2つの異なる材料間の温度勾配から電気を生成するもので、ペルチェ効果は、電流が印加されたときに2つの異なる金属の接合部で熱が生成または吸収されるもの、そしてトムソン効果は、電流の方向に基づいて熱が吸収または生成されるものです。
熱電発電機と熱電クーラーの違いは？
熱電技術で混乱することの1つの共通点は、ゼーベック効果を利用する熱電発電機（TEG）とペルチェ効果を利用する熱電冷却器（TEC）との違いです。これらの熱電効果は、電流生成と固体冷却のために異なる方法で異なるデバイスで使用されています。様々な熱電デバイスは、それぞれ異なる設計を使用しますが、それらの構造で同様の材料（ドープ半導体）を使用します。各種TEGは、材質は類似していますが、電力出力の最大化に重点を置いた高温差動とエネルギー効率のために設計されています。逆にTECは、熱吸収と放散を最適化するように設計されており、冷却をより効率的にするために高度なセラミックと銅を使用することが多いです。ペルチェモジュールの詳細については、当社の詳しいブログ記事「ペルチェモジュールの選択方法」をご覧ください。
各種プロセスは類似していますが、熱から電力を生成することが目標であれば、TEGモジュールが最善の選択です。アクティブな冷却または温度安定化が必要な場合は、TECモジュールまたはペルチェモジュールが必要です。幸い、Same Skyは、設計要件に応じて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ます。
熱電発電機の仕組み
最新の熱電発電機では、半導体材料の高温側と低温側の間の温度差により、電荷キャリア（電子）が高温側から低温側に移動します。TEGモジュールの内部には、n型とp型の半導体材料（通常はビスマステルライド）の複数のペアがあります。これらの半導体材料の対は、ホットプレートとコールドプレートとの間に挟まれています。nタイプの材料では、電子は高温側から低温側へと移動します。pタイプの材料では、穴（または電子の欠如）も高温側から低温側へと移動します。この流れは、有用な電流として利用することができる電位（電圧）の生成をもたらします。電圧は、材料の2つの側面の間の温度差に比例します。
TEGは、産業プロセスなどの廃熱が発生するアプリケーションで活用され、通常は失われるエネルギーを回収するのに使われます。また、宇宙探査機などのリモートアプリケーションで使用され、太陽エネルギーが弱すぎるときに放射性崩壊の熱から電気を発電します。
発電にTEGモジュールを使用する利点
機能的観点から言うと、TEGモジュールの最も有用な特徴は、無駄な熱エネルギーを利用して電力を生成することです。これは、エネルギーを再生または再利用するために多くの状況で有益で、TEGは環境に優しくもあります。
TEGモジュールは可動部品のないソリッドステートデバイスでもあり、信頼性が高く、静音でメンテナンスフリーです。またコンパクトサイズのため、狭いスペースにもフィットします。TEGは、幅広い電圧と電流で利用可能で、標準電源に接続せずに確実に電力を供給することができ、リモートアプリケーションやバッテリー駆動システムの交換に最適です。
TEGモジュール使用における課題
TEGは使用可能な電流を提供する堅牢なデバイスですが、プロジェクトに設計上の課題がないわけではありません。これらは、必要な出力で適切に機能するために周囲温度勾配に依存しており、非常に特定のアプリケーションでのみ有用です。TEGは、他の発電方法と比較して、エネルギー変換効率スコアも比較的低く、平均約10%です。
重要なTEG仕様と性能グラフ
TEGモジュールをシステムに組み込むには、性能に影響を与えるいくつかの主要なデバイスの仕様に注意する必要があります。高温側と低温側の間の温度差は、デルタTと呼ばれます。これはTEGが電力を生成する方法の基本ですが、通常はデータシートに記載されている仕様ではありません。その代わりに、製造業者は多くの場合、安全な動作のための最大許容温度を示すTmaxを指定しますが、それは必ずしも最適な動作条件ではありません。
熱電発電機の性能を評価するためのその他の有用な仕様には、開回路電圧、適合負荷出力電圧、適合負荷電流、適合負荷電力、適合負荷抵抗があります。これらの値は、TEGを適切な電気負荷と熱負荷を備えたシステムに統合する際に何を期待すべきかを明確に示します。これらのパラメータは、データシートで一般的にどのようにグラフ化されるかを説明しながら、以下のパラメータについて詳しく説明します。
TEGモジュールのパフォーマンスグラフは、ホットサイドの温度、コールドサイドの温度、さまざまな電気パラメータを比較する変数に対してプロットされたTEGの指標を表します。このグラフにより、設計者は最適な動作点や設計の改善が必要な領域を特定できます。TEGパフォーマンスグラフは通常、TEGデバイスをあるアプリケーションに一致させたり、異なるTEGデバイスを比較したり、構築中の最終的なTEGシステム設計のトラブルシューティングを行う際に、設計を最適化するのに使用されます。最も重要なパフォーマンスグラフのいくつかは次の通りです。「Th」は高温側の温度を表しています。
- 開回路電圧とTh：このグラフは、TEGモジュールで特定の温度デルタで見られる負荷されていない電圧を示します。基本的には、TEGによって生成される最大電圧です。TEGモジュールに負荷があると、電圧が下がります。
- 適合負荷抵抗とTh： このグラフは、特定の温度デルタにおける内部TEGモジュールの抵抗を示します。
- 適合負荷電圧とTh： このグラフは、特定の温度デルタでのTEGの負荷出力電圧を示します。
- 適合負荷電流とTh： 一致した負荷電圧と同様に、これは特定の温度デルタでTEGによって供給される負荷電流を示します。
- 適合負荷出力電力とTh： 負荷電圧と負荷電流に似ていますが、出力電力を示します。オームの法則を使用することで、このグラフに表示されている内容をいつでも計算することができます（逆も同様です）。基本的に、これらの3つのグラフのうち、2つが分かれば、3つ目はいつでも計算できます。
TEGが最高出力またはピーク電力を生成するパフォーマンスグラフ上の点は、通常、最適な負荷抵抗であることを示します。グラフ上の効率曲線は、温度差や負荷抵抗によって変換効率がどのように変化するかを示しています。特定の性能グラフでは、X軸はTEGの高温側の温度を示し、TEGの低温側温度を示すためにいくつかの性能曲線がプロットされています。Y軸は、分析される特定のメトリックを示します。
アプリケーションに合わせて熱電発電機を選択する方法
適切な熱電発電機を選択するには、設計者はTEGが露出する冷温側の温度と高温側の温度を決定することから始める必要があります。これらの温度が決定されると、設計者はデータシートの一致した負荷電圧、一致した負荷電流、一致した負荷電力チャートを使用して、アプリケーション内のTEGの出力を決定できます。
例：
Same SkyのSPG176-56熱電発電機モジュールを使用して、その性能グラフを下に示し、低温側（Tc）温度を30°C、高温側（Th）温度を200°Cにすることで、TEGの予想出力を計算できます。
ステップ1： 一致した負荷電圧グラフを使用して、X軸（Th）上のTh=200°C点を見つけ、その点から垂直線を引き上げます。その線がTc=30°C曲線と交差する点に注意してください。この交差点から、Y軸（V）に水平線を引きます。これが交差する場合、TEGからの予想出力電圧です。この例では、これは5.9Vマークで交差するため、TEGから5.9Vを期待できます。
ステップ2： 一致した負荷電流グラフで同じプロセスを実行すると、TEGからの出力電流が1.553Aになります。
ステップ3： オームの法則を使用すると、TEGの出力電力は9.16Wです。これは、一致した負荷電力チャートと以前と同じプロセスを使用して検証することもできます。
ステップ4： データシートの一致負荷抵抗チャートと上記の例の詳細を使用して、これらの条件下でのTEGの抵抗がおよそ3.8オームであると判断できます。TEGはオームの法則に従います。つまり、関係は直線的であるため、グラフとパワーフォーミュラの任意の組み合わせによって、設計者はTEGから期待される出力の最終結果を得ることができます。
この公称値の選択は非常に簡単ですが、実際の課題は、温度差が理想的でない場合、または負荷インピーダンスが完全に一致しない場合です。これらの場合、設計者はパフォーマンスグラフを参照して、実際のパフォーマンスと動作境界を決定できます。最後に、性能曲線は限られた数のTc値をプロットします。プロットされた曲線間のTc値については補間してもかまいません。
熱電発電機はどこで使用できますか？
熱電発電機は、遠隔電源が必要な多くのアプリケーションや、エネルギーの再利用がシステムの効率を高める可能性があるアプリケーションに使用されます。これらには、大型とマイクロの2つのバージョンがあります。大型のTEGは、数ワットから数百ワットまでの出力電力を供給し、産業目的に使用されます。マイクロのTEGは、ワットから数ミリワットまで供給します。TEGを使用する現在のアプリケーションには、次のようなものがあります。
- 消費者向け低消費電力デバイス（ウェアラブルテクノロジー）
- 宇宙探査機と航空宇宙
- 産業廃棄物の熱回収
- 太陽光発電
- センサー（モノのインターネット技術）
- 自動車用エンジン
- 産業用電子機器
- HVACシステム
- 医療衛生の監視と追跡
- 軍事システム
- 科学機器
- テレコム
概要
熱電発生器モジュールは、熱電効果を利用して、デバイス内の温度勾配から使用可能な電流を生成します。熱電冷却器と同様に、特定のアプリケーションに密接に一致すると、効果的で効率的になります。TEGは、さまざまな出力と効率で利用でき、ポータビリティ、リモート操作、またはエネルギー回復を可能にすることで、設計に付加価値をもたらします。部品をお選びいただくには、さまざまなサイズと出力定格を備えたSame Skyの熱電発電モジュール製品ラインをご覧ください。
主な取り組み
- 熱電発電は、ゼーベック効果を使用して熱を電気に変換します。
- TEGモジュールは、可動部品なしで温度差から電力を生成するソリッドステートデバイスです。
- TEG（熱電発電機）はゼーベック効果を使用して電力を生成します。一方、TEC（熱電冷却器）はペルチェ効果で冷却します。
- TEGは、廃熱を回収し、清音かつ信頼性が高く、メンテナンス不要です。リモートアプリケーションやオフグリッドアプリケーションに最適です。
- TEGには強力な温度勾配が必要で、エネルギー変換効率は最大で約10%です。
- TEG仕様には、主にTmax、適合負荷電圧、電流、電力、抵抗があります。
- パフォーマンスグラフは、TEGを特定の動作条件に一致させるのに役立ちます。
- 熱電発電機の一般的なアプリケーションには、ウェアラブル、航空宇宙、産業用熱回収、IoTセンサー、医療機器、自動車システムなどがあります。
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