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Jun 18, 2023

熱電技術が米国から誕生

Dagli Stati Uniti emergono due raccoglitori di energia termoelettrica fondamentalmente diversi

今週、根本的に異なる 2 つの熱電エネルギーハーベスターが米国から登場しました。

1 つはペンシルベニア州立大学による熱音響の概念実証であり、もう 1 つは Nextreme の量産ゼーベック発電機の最新バージョンです。

この熱音響装置は、発展途上国の調理用の火からファンを駆動するのに十分な電力を得る試みです。

そのアイデアは、扇風機が火の効率を高めながら排気ガスを削減するというものであり、国連の推計によれば調理の煙によって年間 190 万人が死亡している。

信頼性が重要であるため、研究者のポール モンゴメリーは、摩耗する可動部品がほとんど、またはまったくないべきであると判断し、音響変換を選択しました。ペンシルベニア州立大学は音響熱力学で有名です。

これは、振動する空気柱を生成する熱音響発振器と、振動から電気へのコンバーター (デモンストレーターでは逆に動作するスピーカー) の 2 つの部分で構成されます。

発振器は、一方の閉鎖端と開放端のすぐ内側に伝熱材を備えたチューブです。

適切な寸法、条件、熱交換器の向きにより、 空気のごく一部が加熱され、その膨張により室内の冷たい部分に移動します。 ここで冷却され、収縮し、熱い部分に引き戻されます。

このサイクルは、弾性気柱の跳ね返りとチューブの長さによって決まる周波数で繰り返されます。

この効果は、圧縮中に音波に熱が加えられ、膨張中に熱が除去されると音波の振幅が増大することをビクトリア朝の科学者レイリー卿が認識して以来、1 世紀前から知られていました。

「非常にハイテクな熱音響発電機が宇宙用途向けに構築されており、加圧ヘリウムガスと非常に高価なリニアオルタネーターが使用されています」とモンゴメリー氏は述べた。 「調理用コンロ用途では、よりシンプルなプロトタイプを試みました。」

彼は、金属板を折り曲げた長方形のダクト内で大気を利用しています。

熱は、ダクトに沿って穴が開いたセラミックハニカムによってガスに伝達されます。

「セラミックは実際には、自動車の排気システムに使用される触媒コンバーターの基板として大量生産される材料です」とペンシルバニア州立大学のスティーブン・ギャレット教授はエレクトロニクス・ウィークリーに語った。 「セラミックが触媒（通常はプラチナ）でコーティングされるまでは、非常に安価なので、実際、バーベキューの耐火レンガとして使用されています。」

セラミックの一端は黒くなっており、ストーブ内にある共鳴器の高温端からの電磁放射によって 20 W の熱を吸収します。

もう 1 つは、冷却のために外部のコンピューター スタイルのヒートシンクに取り付けられます。 デモ機は 25mW を生成しますが、モンゴメリ氏は、完成品は 4 ～ 8kW のストーブから 10W を生成し、価格は 25 ドルになると見積もっています。

同氏は、「比較的非効率な熱機関であっても、少量の廃熱からファンに電力を供給するのに十分な電力を生成することができ、おそらく夜間の照明となる携帯電話やバッテリーを充電するのに十分な余剰容量を備えているだろう」と述べた。

この研究結果は、アメリカ物理学研究所が企画した音響に関する第2回汎アメリカ/イベリア会議で発表され、モンゴメリ氏は背景文書を執筆した。

半導体ペルチェ/ゼーベックデバイスメーカー Nextreme によるもう 1 つの開発は、電力と温度差のスケールの下限を対象としています。

eTEG HV37 は、10K の温度差から 170mV の開回路を生成する「高電圧」デバイスで、その時点で適切な負荷で 1mW を供給できます。

50Kの差で、24mWまたは850mVの開放電圧を供給できます。

これは 6mm2、高さ 0.6mm で、他の 2 つの発電機 HV56 と HV14 を結合します。

Nextreme のエンジニアリング担当副社長、Dave Koester 氏は、「分散型センサーとセンサー ネットワークの導入により、再生可能および自律型電源への関心が高まっています。 「廃熱の利用は、μW～mWオーダーの電力が必要な多くの用途にとって魅力的なエネルギー源です。」

比較的高い出力電圧は、共晶金錫はんだを使用して多くの接合部を直列に接続することと、1平方センチメートルあたり数千個の素子を実現できる特許取得済みのサーマルバンプ製造プロセスによって得られます。

HV37 は、同社のオリジナルの熱電発電機である UPF40 を、より高電圧で同じ電力を生成する小型のものに置き換えます。