よくわかる最新エネルギー変換の基本と仕組み
山﨑耕造（秀和システム）
熱エネルギー、力学エネルギー、電気エネルギー、光エネルギー、化学エネルギー、生体エネルギー、核エネルギーなどのエネルギー変換の全体が網羅的に説明されており、熱電発電についても説明されています。興味ある所だけでも読んでもらえるとよいと思います。
さらなる変換効率の向上を目指して 熱電変換材料の開発
熱力学第二法則とは
「熱」は高い温度から低い温度へしか流れず、自然に低い温度から高い温度には流れません。これを熱力学第二法則といいます。
冷蔵庫で冷やすことができるのも、エアコンで部屋の温度を下げることができるのも、電気エネルギーを使って熱を低い温度から高い温度へ移動しているからであって、冷蔵庫やエアコンが自然に冷却することはありません。
100%変換できる熱機関は存在しない
高温熱源の熱を電気や力学エネルギーに変換する熱機関の発電についても、熱力学第二法則は100%変換できる熱機関は存在しないと言っています。つまり、高温熱源の熱の一部が電気や力学エネルギーに変換され、残りの熱は低温側に排熱されます。ここで、(変換されたエネルギー÷高温熱源からの熱エネルギー)×100(%)を変換効率といいます。
理論的に達成できる最大の変換効率はカルノー効率といい、理想気体のカルノーサイクルより、(1－低温側温度÷高温側温度)×100(%)で与えられます。例えば、高温側温度1000K、低温側温度300Kの場合、70%の変換効率になります。
実際、火力発電所や原子力発電所などでの変換効率は30～40%ですので、発電には、60～70%の熱エネルギーを低温側へ排熱する必要があり、この膨大な排熱をいかに回収して再利用するかが重要になります。
電気・熱の流れにくさが効率低下の原因
熱電変換材料は温度差を電力に直接変換できる材料で、ゼーベック効果を利用して、温度差を電力に直接変換することができる材料です。
熱電発電の最大変換効率は、カルノー効率×(√(1+ZT)-1)÷((√(1+ZT)+低温側温度÷高温側温度)×100(%)で与えられます。熱電材料の中で電気の流れにくさ、熱の流れにくさが存在するので、そのエネルギー損失が変換効率を低下させる原因になります。例えば、高温側温度1000K、低温側温度300Kの場合、ZT=1の時、約17%の変換効率となります。
ここで、ZTを無次元性能指数といいます。変換効率はZTが大きいほど大きくなりますが、電気が流れやすく熱が流れにくい材料ほどZTは大きくなります。変換効率が10%を越えることから、ZT>1 が実用的な熱電変換材料の目安になっています。
私たちは酸化物、珪化物、三元系合金などの熱電変換材料で研究をしていますが、ZT=0.1程度の材料がほとんどです。しかし、さらなるZT向上を目指して日々研究に取り組んでいます。
大学時代、熱力学の授業で、第二種永久機関は存在しない、エントロピーは増大するという熱力学第二法則を学んで、自然界には限界があることを知り衝撃を受けたことがエネルギー変換効率の研究に興味を持ったきっかけです。
「同一母相或いは同一結晶構造でp型およびn型熱電特性を示す酸化物系熱電材料の開発」
◆ 中津川研究室ＨＰ
【日本熱電学会】熱電材料の基本
桂ゆかり
日本熱電学会が作成した熱電変換材料の基本を紹介するYouTube動画です。専門的内容を非常にわかりやすく解説しているので、高校生も興味深く観ることができます。
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これが結論！ 日本人と原発
竹田恒泰（小学館101新書）
国内最高性能の発電設備を利用すれば変換効率61%の発電が可能であることや、現在国内のほとんどの原発が稼働停止している状況でも電力問題に支障をきたさない理由を理解することができます。
また、将来的には排熱を利用したコージェネレーションシステムが重要であるという解説は興味深いので、ぜひ高校生に読んでもらいたいです。
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Q1.日本以外の国で暮らすとしたらどこ？ 在外研究で半年過ごした英国。日本と同程度の伝統を持つが、食文化は全く対極にあり、英国の良さだけでなく日本の良さも実感できるから。 |
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Q2.一番聴いている音楽アーティストは？ RC SUCCESSION / 多摩蘭坂 |
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Q3.大学時代のアルバイトでユニークだったものは？ ビジネスホテルのフロント業務のアルバイト。色々な人がいるということを学ぶことができました。 |
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Q4.研究以外で、今一番楽しいこと、興味を持ってしていることは？ サウナで整う |
