rick_1976 Applications Engineer
これまで、熱電デバイスに関する本シリーズ（関連記事：*A1、*A2、および*A3）では、冷却/ヒートポンプ機能としての用途に焦点を当てて議論してきました。基礎となる現象は逆にも働きます。外部手段によって熱電モジュール（TEM、thermoelectric module）両面の温度差を維持すれば、可動部品を必要とせずに、その維持に必要な熱エネルギーの一部を電気的な形で取り出すことが可能です。このように使用される場合、TEMは熱電発電機またはTEG（thermoelectric generators）と呼ばれるのが一般的ですが、これらの用語は熱電デバイス単体ではなく、熱電発電のための全体的なシステムまたはモジュールを指すこともあります。
このページでは、熱電発電に関係するいくつかの要素とその実用上の限界について説明し、この技術に興味をお持ちの方にTEGシステムのモデリングに関するガイダンスを提供するとともに、この技術に基づく製品の設計と挙動に関する洞察を提供します。
熱機関と「効率 」の概念
熱電発電に関して、現実的な可能性と希望的観測の境界を見極める（そして多くの類似したトピックについても洞察を得る）のに便利なツールは、カルノー効率（Carnot efficiency）の概念です。その導出と証明の詳細については熱力学の講義に譲りますが、基本的な考え方は、あらゆる熱機関の「効率」には理論上の絶対最大値が存在し、それは式1で表されます。ここで TCとTHは、熱機関が作動する高温側と低温側の絶対温度を表します。
式1： あらゆる熱機関の理論上の最大（カルノー）効率
例えば、高温側温度が100°C（373K）、低温側温度が27°C（300K）の場合、理想的な熱機関の効率は以下のようになります。
このような場合、熱機関の高温側へ供給される熱電力100ワットにつき、電気的または機械的な形で取り出せるのは、せいぜい約20ワットに過ぎません。実際の熱機関は当然ながら理想的ではなく、実際の結果は理論上のカルノー限界を下回ります。熱電発電について言えば、現時点では、おおまかな推定を行う際の合理的な目安として、10%程度の係数が妥当と考えられます。別の言い方をすれば、これらの温度間で作動する熱電発電機は、供給される熱エネルギーの約2%を電気エネルギーに変換することが合理的に期待できます。
少し（しばらく）の間立ち止まってちょっと話を戻しますが、この「熱機関」という概念について、少し議論する価値があると思われます。これは、高温領域から低温領域へと自然に流れる熱エネルギーから、機械的、電気的、またはその他の便利な形態でエネルギーを抽出するあらゆるデバイスやシステムを指す一般的な用語です。逆の方向に進むことは容易であり（実際、避けられません）、機械的エネルギーや電気的エネルギーを貯蔵、変換、輸送、あるいは他のほとんどのことに使おうとすると、摩擦のような現象が起こり、その一部が熱の形に戻されてしまうのです。
熱機関のコンセプトは、水車によく似ています。水車は、古くから使われており（現在も改良された形で使われています）、重力の力で流れる水を利用して有用な仕事をすることができます。車輪の縁にバケツやパドルを取り付け、水流を当てると車輪が回転し、その回転を利用して穀物を挽いたり、金属鉱石を砕いたり、より近代的な使い方では発電機を回して電気を作ったりすることができます。同様に、熱エネルギーが高温の領域から低温の領域に移動する際、その一部をより便利な形に変換することが可能です。この例えは、熱機関の基本的な性質について直感的な洞察を与えてくれる点で役に立ちます。
- 水車の上部に注がれた水は、また下部から排出しなければならない。
- 水車にかかる水流が大きいほど、潜在的な作業出力は大きくなる。
- 車輪の上部と下部の高さの差が大きいほど、潜在的な作業出力は大きくなる。
図1. 水車（左）と熱機関（右）の図
熱機関の動作をより正確に概念化する手段は、電気回路との類似性です。理想的な無限の蓄熱体は電圧源としてモデル化でき、理想的な熱機関は抵抗器としてモデル化できます。（モータに例えた方が分かりやすいかもしれませんが、ここでは簡単のため抵抗器を使います。）このように理想化された熱機関システムを表す回路を図2に示します。この回路/モデルを見ると、いくつかのことがわかります。
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（従来の意味での）「電流」は、高電圧源（VH）から抵抗（R）を通って流れ出し、低電圧源（VC）に流れ込みます。熱エネルギーは高温の領域から低温の領域に流れます。
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低電圧源VCを取り除くと、回路は断たれ、抵抗を流れる「電流」は発生しません。したがって、抵抗器によって「電力」が変換されることはありません。同様に、熱機関は動作するために、熱エネルギーを放出できる低温領域へのアクセスが必須です。
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高電圧源から供給される総「電力」は、抵抗器によって変換されるか、あるいは低電圧源によって吸収されます。同様に、熱機関の高温領域へ供給される熱エネルギーは、他の形態で出力されるか、あるいは低温領域へ排出されます。
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このモデルにおいて、抵抗器によって消費される「電力」（PR）と高電圧源から供給される「電力」（PH）の比を表す式は、カルノー限界と同じ形式を有しています。
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高電圧源から供給される「電力」の全量が抵抗器で変換される唯一の条件は、低電圧源の電圧値がゼロである場合です。 地上の熱機関の多くは、低温側として地表温度（約300K前後）を使用せざるを得ず、これが実用的に達成可能な変換効率を制限しています。
図2. 理想的な熱機関の回路モデル
端的に言うと、絶対零度の低温熱源を利用できないため、熱機関に供給される熱エネルギーの全てを有効な出力に変換することは、単純に不可能なのです。一般に、熱機関における「効率」とは、有用な仕事として出力されるエネルギーを、高温側の熱源から供給される熱エネルギーで割った値を指します。このパラダイムのもとでは、たとえ完璧で理想的な熱機関であっても、その作動する温度差がゼロに近づくにつれて、その「効率」はほぼゼロになると言われています。理論上完璧で理想的な熱機関であっても、例えば快適な室温とアルミニウムの融点の間で動作する場合、その効率は約70%を超えることは到底不可能です。
完璧という概念を100%未満の効率と同一視することは、おそらく珍しいことかもしれませんが、熱機関について議論する際には、これが現状なのです。実際のシステムは理想的なものではありませんので、当然ながら、こうした低い効率すら達成することはできません。発電所、内燃機関、およびその他の熱機関ベースのシステムが「エネルギーのxyz%を熱として無駄にしている」という記述を目にする際には、この点を心に留めておく価値があります。こうした記述の多くは、他の情報源から単に引用されている可能性が高く、理論的に完璧なシステムであっても、かなりの程度の「無駄」が生じるという点を考慮していないようです。
電気的な整合
熱電発電がさらに複雑なのは、電気的な整合の問題です。ある熱機械的動作条件において、最大電気出力が得られるのは、ある特定の電気的動作点のみです。言い換えれば、特定の温度差が印加された特定のTEMにおいて、最大出力電力を得るための電気負荷抵抗の値が1つ存在します。「カルノー効率を計算し10で割る」という手法で作成された熱電装置の電力供給能力に関する概算値は、このような整合性を前提としています。整合性が取れない場合、この10という調整係数は20、50、100、あるいはそれ以上に増加する可能性があります。
この整合の問題は普遍的なものですが、多くの状況においては大きな問題ではないため、見過ごされがちです。実際の電源には、図3のRIntでモデル化された内部直列抵抗が必ず存在します。この抵抗値が、供給したい負荷の抵抗値に比べて比較的小さい場合には、しばしば無視されます。比較的に大きくなるにつれて、ほとんどのTEGの場合と同様に、電源が供給できる電力量の制限要因となります。
図3. 負荷の抵抗を電源の内部抵抗に整合させた場合の影響を示す回路モデルと図表を示します。負荷への電力伝達が最大になるのは、負荷抵抗と電源の内部抵抗が等しいときです。
ある視点から見れば、この問題は自転車に例えて理解することができます。ペダルをこぐ強さにも速さにも限界があります。その結果、固定ギアの自転車は、急な坂道を登ったり、平地をゆっくり走ったりするのが難しくなりがちです。なぜなら、ギア比が固定されているため、地形が変化しても自転車をこぐ人は快適な範囲でこぐことができないからです。多段変速自転車は、こぐ人の能力と地形の特徴とを調整できる機能があるため、より多様な地形を快適に走行することを可能にします。
電気的に言えば、スイッチング方式のDC/DCコンバータは、多段変速自転車のギアシステムと同様の機能を果たします。すなわち入力側における特定の電圧と電流の組み合わせで供給される電力を、出力側において異なる電圧と電流の組み合わせで同等の電力に変換するのです。（変換時の損失分を除いて—変換料が無料というわけにはいきません…）そのためには、適切な制御システムを設ける必要があり、自転車において言うと、適切なギアを選択する手段が不可欠です。最大電力点追従（MPPT、maximum power point tracking）の概念は、太陽光発電に関する他の議論でもお馴染みかと思います。熱電変換の分野においても、この問題はほぼ同様であり、同様のツールや技術を用いて対処することが有効です。
別の視点から見ると、電気的整合の問題はバルクフローの問題として捉えることができます。例えば、動作に10ワットを必要とする負荷は、5ワットしか供給できないTEGでは継続的に電力を供給することができません。一方、通常の条件下で5ワットを供給可能なTEGからわずか1ワットしか消費しない負荷の場合、多くの容量が未使用のままとなります。
熱電発電の潜在的な応用分野の多くは、固定された、あるいは制御が困難な熱源を有すると考えられます。電気需要に合わせてTEGへの熱入力を調整することは、現実的な選択肢とはなり得ません。その結果、TEGシステムから最大限の利益を得るためには、ある種の最大電力点追従（MPPT）機構に加え、一般的に何らかのエネルギー貯蔵機構も必要となります。供給される負荷が、変化する条件下でTEGが生成する電力の量に関わらず適切に機能できない場合、エネルギーの生成と消費の速度差を緩和するために、バッテリまたは類似の蓄電装置を設ける必要があります。これにより、前述の5ワットTEGは、例えば1ワットのみが必要な時間帯に余剰電力を蓄積することで、10ワットの負荷を断続的に供給することが可能となります。
温度許容
典型的なシステム温度に関しては、熱電発電の用途とほとんどの冷凍・温度制御用途とでは根本的に異なります。ほとんどの冷凍用途において、熱電素子が動作する温度範囲は快適に感じる室温です。冷凍用途におけるTEMの低温側は、冷却区域から熱を奪うために周囲温度より低くなります。高温側は、冷却区域から取り出された熱を周囲環境に排出するために、周囲温度よりやや高くなります。
対照的に、熱電発電システムにおいては周囲の環境温度が一般的に最も低く、システム温度はそこから上昇するだけです。一般的な燃焼プロセスでは2000°C程度の温度が生じ得ることを考慮すると、大幅な上昇が予想されます。熱電発電用途におけるシステム温度は、冷凍/温度制御用途に比べて、一般的に高くなる傾向があります。
TEGを駆動したい熱源の実際の温度によっては、問題が生じる可能性があります。冷却目的で使用される一般的に入手可能なTEMは、融点が140°Cと低いはんだ材料を使って組み立てられる場合もあれば、200°C程度までの使用に耐えるものもあります。より高い動作温度に対応したTEMもありますが、この記事の執筆時点では、市販品としては比較的珍しい状況です。明らかな問題は、TEMが溶けてバラバラになるような温度にさらされる可能性がある場合、システムの信頼性が損なわれるということです…
さらに、使用温度が約200°Cに近づき、それを超えると、サーマルインターフェース、シーラント、および同様の材料の適切な選択肢は非常に少なくなります。熱膨張による機械的な複雑さも、システム温度が極端に高くなるにつれて、特に不連続（スタート/ストップ）運転が意図される場合に大きくなります。
材料供給
近年、さまざまな要因から熱電発電への関心が高まっているようです。低電力エレクトロニクスの進歩により、これまで以上に小さな電源で有用なことができるようになりました。資源保護への関心が、未活用の資源からのエネルギー回収の研究を後押ししています。また、消費の拡大と電子ベースの技術に対する依存により、市場の可能性を生み出し、拡大しています。
しかし、より広範な普及を阻む大きな障壁の1つは、必要な材料の入手が限られていることです。執筆時点において最も一般的に使用されている熱電材料は、テルルをベースにしたものです。テルルは入手可能性の点で白金（プラチナ）に類似していると言われ、主に銅鉱石精錬の副産物として得られます。世界的な年間生産量は、執筆時点においておおよそ1人あたり100ミリグラム程度と推定されています。以下に概算で示されるように、現在のテルル化ビスマス（Bi₂Te₃）ベースの熱電デバイスは、使用されるテルルの1グラムあたり約1ワットの電力を生成する可能性を有しています。世界の年間テルル生産量を全て熱電発電に充当した場合（他の用途には一切使用しない場合）、1人当たり約100mWの発電容量、あるいは年間約0.876kWhの潜在的な電力生産が可能であると推定されます。技術分野での途上国における1人当たりの電力消費量は、この数値の約15倍であると言われています。一方、工業化国ではその数値は1万倍近くに達します。
言い換えれば、たとえ上記の生産可能性の推定値が小数点位置が1桁あるいは2桁分低く見積もられているとしても、テルルを基盤とした熱電発電の採用を相当な規模で支えるのに十分な量がないことは明らかです。より優れた供給の可能性や性能を持つ代替材料の研究は進行中ですが、テルルを使用しない熱電モジュールの商業的利用は、この記事の執筆時点では限られているようです。また、熱電発電による電力生産は、通常、得られる電気出力の約10倍から50倍（多くても）の熱エネルギー投入というコストがかかることを考えると、この技術の適用可能性は、大量のエネルギー生産手段として有望であるというよりも、ニッチ/特殊な用途に限られていることは明らかでしょう。
世界の推定テルル生産量（2019年）= 470トン（47万kg）
世界の推定人口（2019年）= 80億人
470,000kg/8,000,000,000人 = 0.000059kg/人（約0.1グラム/人）
ビスマス（Bi）の原子量：209
テルル（Te）の原子量： 128
Bi2Te3中のTeの重量% = 3 x 128/（3 x 128 + 2 x 209） = 0.48 = 48%
手近にあった公称40 x 40 x 4mmの熱電モジュールの重量は約25グラムです。その半分が非活性物質に起因すると仮定すると、活性物質の含有量はおよそ12～13グラムになります。ビスマスとテルルの原子量を調べると、Bi₂Te₃は重量でテルルの半分弱であることがわかります。したがって、このようなデバイスのテルル含有量は概算でおよそ5～6グラムとなります。同様のサイズのTEGモジュール TG12-8-01LSG は、良好な条件下で5～6ワットの出力が可能と評価されており、これは推定テルル含有量1グラムあたり約1ワットに相当します。
熱電システムの設計
熱電発電機の設計における煩わしさの1つは、この用途向けに設計され特徴づけられた熱電モジュール（TEM）を見つけるのが難しい点にあります。冷却/温度制御用途での使用に関する情報は、発電機設計に有用な情報として容易に転用できるものではありません。ただし、そのようなモジュールは（温度条件が許容される場合）確かに使用可能です。発電用途では通常、より高い温度環境が想定されるため、そのような用途向けに設計されたデバイスは、比較的高い温度での動作を想定した定格が設定されている傾向があります。このことは、製品リストにおいて、冷凍用途向けのデバイスと明確に区別されていない場合でも、デバイスを識別する際に有用です。
図4. グラフデータと表データとの相関関係を示す注釈付きデータシート抜粋
図4では、そのようなデバイスのデータシートの一部を抜粋し注釈を付加して、提供されているグラフデータと表データの相関関係を示しています。デバイスの高温側と低温側をそれぞれ170°Cと50°Cに維持した場合、このデバイスは3.65Vの電圧で最大4.17ワットの電力を生成することが可能です。デバイス両端の温度差を指示された熱抵抗で割ると、そのために必要な熱エネルギー入力は約103ワットであることがわかります。
（最良の場合の）電力出力を熱入力で割ると、効率の数値が得られます。下の図は、表に示したものとは若干異なりますが、大きな差はありません。これは、提供されたデータの四捨五入や切り捨ての誤差によるものと思われます。
オームの法則により、与えられた電力と電圧の値から最適負荷点における電流を計算することができます。
最適電力点における電流についてこの値を使用し、開回路の場合からの出力電圧の降下を使用して、指定された高温側および低温側の温度におけるTEMの実効内部電気抵抗を計算することができます。
この値が手元にあれば、規定の条件下でデバイスが出力する閉回路（短絡）電流を推定することができます。ここでも、計算値は表に示した値とわずかな誤差の範囲で一致します。
表に示されている最適負荷抵抗と上記で計算された実効電気抵抗の比をとると、データシートの別の図表（抜粋・注釈付きで図5に掲載）に示されている値とよく一致する抵抗比の値が得られます。
図5. 最適な負荷抵抗比を示す注釈付きデータシートの抜粋
図4のグラフは、最適な電気的条件下で、デバイスの出力電圧と電力が、デバイスの高温側を通じて伝達される熱エネルギーの量によってどのように変化するかを示しています。TEM自体の熱抵抗はかなり安定しており、高温側の120°Cの温度範囲で約6%しか変化しません。表示された熱抵抗の数値は、最適電気負荷ポイントに適用され、電気負荷が変化すると多少ずれることが予想されることに注意してください。しかし、どの程度なのでしょうか？電気出力を高温側の熱入力で割った効率は、2.5～5%程度と言われています。同量の電力がデバイス内部の電気抵抗で消費されると仮定すると、デバイスを通過する熱エネルギーの90～95%は、熱電特性によって「捕捉」されるのではなく、バルクの熱伝導率によって「漏洩」していると推定できます。水車に例えると、水車を動かすために使われている水の90%ほどが、水車から完全に抜け落ちているようなものです。電気的負荷の変化に伴う実効熱抵抗の変動は、記載されている最適負荷条件から、おそらく5%程度の増減を超えることはないでしょう。
したがって、初期設計の目的においては、執筆時点において利用可能なほとんどのTEG素子は、熱モデルにおいて熱から電気へのエネルギー変換の影響を無視し、単純な熱抵抗としてモデル化することが推奨されます。この方法では、特定の装置から得られる電力量は過小評価されやすくなります。TEGから電気エネルギーとして取り出される熱エネルギーは、低温側の熱アセンブリを通過しません。したがって、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換をゼロと仮定して算出するよりも、実際のTEG両端の温度差およびそれによる発電ポテンシャルは高くなる傾向があることを意味します。特に対流熱伝達を伴う場合においては、その誤差は対流プロセスに関連する熱抵抗の推定に伴う誤差よりも小さい傾向があります。
界面抵抗、伝導抵抗、および対流抵抗を表すために高温側と低温側の抵抗を追加し、熱源と冷却源の温度を電圧源としてモデル化します。これにより、図6に示すように、発電可能な電力量を推定できる比較的単純な熱モデルが得られます。TEG素子に相当する「抵抗器」を流れる「電流」を求め、その素子のデータシートを参照して熱流と電気出力電位の関係に関する情報を得ることにより、装置の熱電発電容量の推定が可能となります。熱界面抵抗、伝導熱抵抗、および対流熱抵抗の概念については、別稿で解説していますので、ここでは重複して説明しません。
その代わりに、熱電発電に基づく多くの製品コンセプトについて議論し、その一般的な設計に関わるトレードオフを重点的に説明します。
図6. TEGシステムの初期解析に役立つ簡略化された熱モデル
TEG技術搭載製品
ストーブファン
薪ストーブや暖炉などの暖房器具の上に置くと室内の空気が移動するように設計された熱電式循環ファンは、数十年前から販売されており、熱電技術を利用した最も古い民生機器のコンセプトの1つです。
典型的な設計は、2つのアルミニウム押し出し材、熱電モジュール、および一式のファンブレードが取り付けられたDCモータで構成されています。高温の表面に置くと、熱は下部の押し出し材からTEMを通り、上部の押し出し材から周囲の空気に伝わります。TEMを通過する熱によって生成された電力がモータに電力を供給し、ファンブレードを回転させ、低温側押し出し材を通過する空気の流れを増加させ、周囲の空気への放熱能力を向上させ、TEMが生成する電力量を増加させます。表面が高温であればあるほど、TEMを通過する熱流が大きくなり、発電能力が高まり、ファンが高速回転します。
図7. 典型的なストーブファン製品のモデル
このような製品に共通する特徴は、細長い断面を持つ下部押し出し材を使用していることです。このような製品は通常、コストを最小限に抑えるという観点から製造され、冷却や温度制御の用途に一般的に使用されるような標準的なTEMモジュールを使用することが多いようです。このようなモジュールは、素朴な薪ストーブの表面で見られるような300～500°Cの温度には対応していないため、過剰な温度によるTEMの損傷を避けるために、ストーブとTEMの高温側との間の熱伝達を制限する必要があります。これは、細長い断面を持つ下部押し出し材を使用することで実現します。
このような製品では、通常、上部押し出し成形品は下部押し出し成形品よりも表面積が大きく、装飾的な形状に成形されることが多くなります。その目的は、TEMの「低温」側から周囲の空気へ熱を移すことであり、熱発電能力を最大化するため、可能な限り熱抵抗を小さくすることが望まれます。しかし、TEMから周囲の空気に熱を伝えるためには、通過する空気温度より高い温度を想定する必要があり、その結果、TEMの「低温」側は周囲温度より高い温度になります。 この上部押し出し材の熱抵抗が低ければ低いほど、TEMの低温側の温度は下がり、他の条件が同じであれば、そのアセンブリの効率は向上します。より優れた設計では、TEMコンタクトプレートと表面積の大きいフィンとの接続部が短く、面積が広くなる傾向があります。より装飾的な設計では、TEMプレートと表面積の大きい押し出し成形品の領域との間の熱経路が長く狭くなる傾向があり、熱の観点からは効果が低いように思われます。
また、これらの製品のほとんどは、電気的なマッチングに関する規定がありません。TEMとモータは単に電気的に接続され、たまたま両者の使用時の条件が一致している動作点で機能します。これは、TEMが同じ条件下で最大パワーを発揮する動作点とは異なる可能性が高いです。このことは、高温側の熱伝達を意図的に制限することと相まって、これらの製品の発電能力と、その結果としての空気循環装置としての性能を著しく制限しています。また、これらの製品には通常、保護されていない金属製のブレードが付いているものの、安全上の危険とはみなされていないことにもご留意ください。購入を検討している人は以上のことを踏まえて、性能の期待値をご検討ください。
熱電調理器具
最初は有望に見えますが、詳細を検討し始めると重大な欠点がある製品コンセプトが、熱電調理器具のアイデアです。小さなやかんの底面と熱伝導板の間に数枚の熱電モジュールを挟むことで、調理中に小型電子機器を充電でき、両方の作業を同時に行いたい方々のニーズを一度に満たすことが可能となるかもしれません。
このアイデアの問題点の1つは、熱電デバイスを多かれ少なかれ直火にさらすことを意味することです。結局のところ、電気ストーブを熱源として熱電発電を行う意味はほとんどないでしょう…一般的な調理用燃料から発生する炎は、1000～2000°C程度の温度が予想され、一般的に入手可能なTEMやシーラント材料の「高温」とされる制限温度の200°C程度をはるかに超えます。ですが必ずしも不可能な状況ではありません。火が十分に小さく保たれ、アセンブリに伝達される熱エネルギーが拡散され、そのエネルギーがTEMの安全温度を超えない範囲で通過できれば、このアイデアは機能します。しかし、人間工学の観点から見ると、かなりの数のユーザーが焦りから、あるいは単なるうっかりで温度を少し上げすぎてシステムを台無しにしてしまうことはほぼ避けられません。
その結末を回避しようとすると調理器具としての実用性が制限されます。なぜなら、熱電装置を取り付けない場合と比較して適用できる熱量が減少するため、調理器具としての実用性が制限されるからです。強い火力の使用が制限される鍋では、調理に時間がかかってしまいます。さらに、温度制限により調理可能な選択肢が限られ、通常は水を使った料理に限定されます。例えばジャガイモを茹でたりコーヒーを淹れたりすることは可能ですが、揚げ物や焼き物といった調理法はおそらく不可能です。
機能的には、このようなシステムのポットの内容物は、TEMアセンブリの低温側における放熱器として作用します。水の蒸発は、かなりエネルギーを必要とするプロセスであり、温度を維持する上で非常に効果的です。沸点に達すると、一定量の水の温度はそれ以上著しく上昇することはありません。さらに熱を加えると、液体が蒸気へ変わる速度が速くなるだけです。残念ながら（熱電の観点から）、そのプロセスは約100°Cで発生します。これは決して「低温」とは言えません。沸騰水をヒートシンクとして利用する熱電システムの発電能力は、例えば0°Cの氷が利用可能な場合と比較するとあまり良くありません。地球上には氷は利用できるものの電力会社がない地域があり、このコンセプトはおそらくそのような場所での使用に最適と言えるでしょう。
機械設計の観点からも、このコンセプトには問題があります。高温側のヒートプレートは、低温側のプレート（鍋の本体）に比べて大きな温度変化を受けるため、低温側のプレートに対して寸法的に膨張したり収縮したりします。そのような膨張がTEM素子を損傷しないように十分に柔軟で、かつアセンブリを扱いにくくすることなく、脆いTEMモジュールを衝撃による損傷から守り、さらに水没したり湿気にさらされたりしたときに水分の侵入を確実に防いで（結局のところ、調理器具なのですが…）、信頼できる熱接触を確保するために十分に剛性のある方法でアセンブリを保持することは、些細な仕事ではありません。
最後に、このようなデバイスはユーザー要因の観点から見ると不運な運命にあるようです。執筆時点での製品デモンストレーションの事例から判断すると、大半のユーザーは、こうしたデバイスの潜在能力を最大限に活用するために必要な基礎物理学を十分に理解していないようです。温度耐性の限界はよく理解されていないようで、水の沸騰と熱電発電が関連しているという誤った理解が広まっているようです。発電は、鍋の中身をできるだけ低温に保つことと連動しているという考え方は、あまり理解されておらず、その手段として蓋をせずに放置することの重要性も同様に理解されていないようです。
一般的なタイプの製品であれば、執筆時点以前にいくつか入手可能または販売されているようです。しかし、いずれも温度制限に付いての表示や、特定の電気的性能を達成するために必要な条件についての実質的な説明を提供しているものはないようです。このような機器の購入を検討している人は、あまり期待しないほうがよさそうです。使用前に機器の限界や動作原理を十分に理解していない場合は失望する可能性があります。
熱電キャンプストーブ
本稿執筆時点で入手可能なもう1つの製品は、少量の発電が可能な熱電システムを組み込んだ固形燃料キャンプストーブです。本製品は、直火にさらされる熱伝導性構造を利用して、熱電モジュールの高温側に熱を運び、その反対側にはヒートシンクがあります。装置内のファンがヒートシンクに空気を送り込み、TEMの低温側から熱を逃がします。この空気はストーブの燃焼室に強制的に送り込まれ、燃焼中の固形燃料の燃焼を助ける強制送風を行います。
重要なのは、この装置にはエネルギー貯蔵用のバッテリも組み込まれていることです。
熱電調理器具よりも一部の点で優れた設計の製品である可能性はありますが、このような装置にも（潜在的な）ユーザーが認識すべき制約が存在します。この製品の設計の利点の1つは、熱電素子が（ほぼ）直接直火にさらされないこと、またそのような直火の量に実際的な制限がないことです。熱電調理器具のコンセプトと比較すると、火力を過剰に用いて装置のTEMを損傷させることは、それほど簡単ではなく、また火を強くしすぎようとすることもありません。
欠点としては、冷却機構として強制空冷に依存している点、および低温側冷却効果と高温側熱入力が本質的に連動している点が挙げられます。低温側から効果的に熱を除去し、それによって過度の温度による損傷からTEMを保護するためには、装置のファンが正常に作動している必要があります。製品の内蔵バッテリは、起動時にこれを可能にするために不可欠です。なぜなら、高温側の温度が緩やかに上昇すると、その過程で十分な電気エネルギーを発生させられないため、TEMアセンブリが損傷するほど加熱される可能性があるためです。調理器具のコンセプトが依存する水蒸発プロセスとは異なり、直接的な空気冷却は強力な温度制限効果をもたらすとは期待できません。
本製品は、低温側冷却に使用した空気を高温側への熱入力用燃焼空気として再利用するため、TEMアセンブリへの熱入力と低温側からの熱放出を独立して調整することは容易ではありません。このような固体燃料システムにおいては、供給される燃焼用空気の増加は、一般的に燃焼プロセスによる発熱速度を増加させます。したがって、高温側熱伝達素子の熱抵抗は、このようなシステムにおいて極めて重要な設計要素となります。熱抵抗が低すぎると、TEMアセンブリの過熱を防ぐのに十分な速度で低温側から熱を除去することができません。高すぎると、アセンブリの発電能力が制限されます。この発電能力は最終的にTEMアセンブリの冷却を担うため、この熱伝達要素の熱抵抗が高すぎると、過剰な温度上昇によりTEMアセンブリの損傷を引き起こす可能性もあります。さらに複雑なことに、潜在的な燃料ストックの燃焼特性および機械的特性は変化するため、冷却/燃焼用空気の流れとTEMアセンブリへの熱入力との関係が不確実になります。 また、不適切な燃料の使用は、このような装置を損傷する可能性もあります。
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