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熱発電素子の原理・使い方

熱発電素子の構造・原理 熱発電素子の使い方 マッチングロード出力


熱発電素子(モジュール)の原理
 熱電変換材料にはP型とN型の半導体があります。N型半導体は電子が、P型半導体は正孔が熱エネルギーによって流れて発電します。その発電の仕組みを熱電半導体のエネルギー準位を使って説明します。下図は熱発電モジュールの基本構造を表すスケッチ図とそのエネルギー準位の概念図です。熱発電モジュールはこれらのモジュールが直列にたくさん接合されています。
  最初にN型半導体の方から説明します。右側の図の左側の金属は加熱されており、そのため伝導帯の電子は熱エネルギーを得てN型半導体の伝導帯に飛び上がります。N型半導体では両端に温度差があるため温度勾配ができており電子の密度にも勾配が生じています。このため電子密度の勾配と電位勾配ができ、それに起因して電子がコールドサイドへ流れます。そして電子はコールドサイドの金属の伝導帯に落ちて熱を放出します。次にP型の半導体について説明します。P型半導体のホットサイドでは電子が放出されて正孔が生産されます。放出された電子は熱エネルギーを得て金属の伝導帯に飛び上がります。P型半導体においても両端に温度差があるためその温度勾配にあった正孔の密度勾配が生じます。そしてN型と同様に電位勾配が生じます。これらの正孔の密度勾配と電位勾配によって正孔がホットサイドからコールドサイドへと流れます。P型半導体のコールドサイドではN型半導体から金属を通って流れてきた電子がP型半導体の正孔におちて正孔が消滅します。この時電子は熱エネルギーを放出します。熱的に見てみますとホットサイドで熱エネルギーを貰った電子がコールドサイドで放出することになります。そしてその結果発電することになるわけですから熱から直接発電することになります。

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熱発電素子(モジュール)の使い方
 通常右図のように、熱発電モジュールは加熱面に電極が露出し、冷却面がセラミックプレートとなっています。熱源に加熱面(必要な場合絶縁物を介して)を、冷却面にヒートシンクを密着させますが、この時サーマルグリースや高温用接着剤を接合面に塗布し、何度かこすり合わせるようにして空気を抜きます。熱発電モジュールの最高使用温度は短時間に350℃、連続使用で250℃ですのでこれを超えないように気をつけてください。ヒートシンクの能力が小さい場合や接触面に空気が入っている場合は加熱面と冷却面の温度差が小さくなりますので発電量が小さくなります。極性は赤のリード線がプラス、クロのリード線がマイナスとなります。モジュール1個当たりの電圧が低いので通常の負荷に接続する場合はモジュールを複数個直列に接続するか、または昇圧回路を組み込んで必要電圧を得ることが必要です。
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マッチングロード出力
 熱発電モジュールが持っている内部抵抗と接続される負荷の関係から最も出力が大きくなる時をロードマッチングしているといいます。つまり内部抵抗が大きくなるとせっかく発電した電気が内部抵抗に食われてしまい出力が小さくなりますし、負荷が大きい場合出力電流が小さくなり、その結果電力出力が小さくなってしまいます。計算は、内部抵抗と負荷が同じ場合に出力が最大になります。通常の場合、熱発電モジュールの抵抗が数オームと小さいためロードマッチングさせるには、工夫が必要となります。

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