松下公司開發出了「熱水流過即可發電的配管」,並從2013年3月起,在位於京都市左京區的垃圾處理設施「東北部清潔中心」開始實施實證試驗,以調查設備的性能和耐久性(注1)。該公司R&D本部尖端技術研究所山田由佳稱,計劃以此次實證試驗為契機,「在2018年實現商業化」。如果實現實用化,就可以有效利用此前被廢棄掉的小規模低溫廢熱。
這款會發電的配管「熱發電管」將鉍碲(Bi-Te)類熱電轉換材料和鎳(Ni)沿著軸方向交替層疊並形成管狀(圖1)。在管內流過熱水、外側用冷水冷卻後,就可以通過內外的溫差來發電。特點是將Bi-Te和Ni傾斜層疊,軸方向會產生電動勢。
將Bi-Te類熱電轉換材料和Ni層疊,形成管狀。照片中試製品的長度為100mm,外徑為14mm,內徑為10mm。要想有效利用熱量,這款熱發電管最合適。
圖1:熱發電管
此次實證試驗在東北部清潔中心設置了由多根熱發電管構成的熱發電單元(圖2)。利用此前在該中心沒有用處的140℃左右蒸汽生成約90℃的熱水,然後使其流入該單元內的熱發電管裡。而冷水則採用了該中心冷卻塔中使用的10℃純水。
圖2:驗證試驗中使用的熱發電單元
溫差為80℃時,內置10根200mm長熱發電管的一個熱發電單元,估計可產生50W左右的電力。
該單元可最多內置10根外徑14×內徑10×長200mm的熱發電管,單位體積的發電能力在400W/m3以上,高達π型熱電轉換元件(注2)的八倍左右。驗證試驗中嘗試連接多個熱發電單元,共產生了100~200W左右的電力。
密度提高,實現均質化
目前熱發電管的發電能力與發布這項技術的2011年6月時相比已經大幅提高。長度為200mm的熱發電管,每根可通過80℃的溫差輸出5W左右的電力。以前只能輸出2.6W左右的電力。
發電能力提高近一倍的原因是改進了製造方法。以前是將Bi-Te和Ni分別鑄造成環狀,然後通過焊錫膏將其接合。而現在則是將Bi-Te和Ni的粉末材料分別壓縮並預製成環狀,然後通過放電等離子燒結法(注3)進行燒制。施加壓力邊在500℃的溫度下燒結約20分鐘,由此兩種材料緊密貼合,從而製造出尺寸精度出色的配管。除了材料密度得到提高外,還實現了均質化,因此發電能力得到提高。
注1:實證試驗預定作為新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)的委託業務「節能革新技術開發業務」在2013年度底之前實施。
注2:π型熱電轉換元件將p型和n型熱電轉換材料大量交替排列後連接而成。
注3:放電等離子燒結法將粉末或固體放入模子裡施加壓力,同時流過脈衝狀的直流電流,通過壓力和焦耳熱進行加熱並燒結的方法。