/

太陽電池のライバル登場か

MITらが熱電変換と太陽熱で発電と湯水供給を同時に実現

米Massachusetts Institute of Technology(MIT)、熱電変換技術を開発する米GMZ Energy社、米Boston College、そしてアラブ首長国連邦(UAE)のMasdar Institute of Science and Technologyの研究者から成る研究チームは、熱電変換素子を用いたフラット・パネル型の太陽熱発電兼温水供給システムを開発した。発電だけでなくお湯も同時に作る「熱電併給(コージェネレーション)」が可能で、発電の変換効率は5%前後である一方で、50℃前後のお湯を作ることができる。

今回の技術を家庭での太陽エネルギー発電と温水器に応用した際のイメージ(図:Boston College)

技術の詳細については、学術誌「Nature Materials」に論文を発表した。

論文によれば、今回の発電の変換効率は、従来の同様なシステムに比べて7~8倍も向上した。今後は変換効率10%超の実現も可能としている。さらに、製造コストを光電変換(PV)に基づく太陽電池より大幅に下げられる可能性がある点や、温水を作製可能である点で、減価償却が太陽電池より大幅に短くなる可能性もあるとしており、将来的には太陽電池の強力なライバルになる可能性がある。Boston CollegeのProfessor、Zhifeng Ren氏は、日経エレクトロニクス誌の取材に対して、「発電出力に対する製造コストは、0.5米ドル/Wにすることが見込める。温水も作れることを考慮すると、太陽電池と十分に競争できる」と回答した。

集熱式で熱を200~300倍に

熱電変換素子を用いて太陽熱発電をする試みは以前からあった。ところが、熱電変換で重要となる、大きな温度差を作ることが容易ではなく、変換効率は0.63%と非常に小さかった。

今回の研究チームは、三つの大きな改善策によって高い変換効率を実現した。(1)高い効率で太陽光を吸収するフラット・パネルで、太陽熱を200~300倍に集めるシステムを開発して温度差を確保した、(2)パネルをガラスの真空容器で包み、熱損失を大幅に低減した、(3)MITらが最近開発した、性能指標ZTの値が1.03と高いビスマス・テルル(BiTe)系材料から成る熱電変換素子を用いた、の3点である。

実際のパネルは、寸法が1.35mm×1.35mm×1.65mmのn型とp型の熱電変換材料計2個を、面積が約714mm2、または約1090mm2の2枚の銅(Cu)板で挟み、それをガラスの真空容器で封止した構造になっている。2枚のCu板のうち、太陽光を当てる表側には太陽光を効率よく吸収する材料を貼り、裏側となるCu板にはヒートシンクの役割を果たすセラミック板を貼ってある。さらに、裏側のCu板は、水冷式の冷却によって温度を20~60℃に保つようにした。熱電変換素子自身の占有面積に対するパネルの大きさは196倍、または299倍となる。集光式の太陽電池と大きく異なるのは、大きなレンズなどが不要で形状を薄型のパネル状にでき、太陽の追尾が必須ではない点である。

これで一般的な太陽光に相当する、スペクトルがAir Mass(AM)1.5相当、エネルギー密度1kW/m2、または1.5kW/m2の光を照射すると、表側のCu板は温度が160~250℃となり、最大で約60mWの電力を発電した。冷却する側のパネルの温度を20℃に維持した場合の変換効率は、4.6~5.2%だったという。

冷却するパネルの温度に対する変換効率の依存性は比較的小さく、「温度を50℃にしても変換効率は3.5~4%だった。これなら、冷却システムがそのまま太陽熱温水器となる『コージェネ』になる」(論文)。

変換効率14%の可能性も

理論値と実際の測定値の差が小さいこともこの技術の特徴だ。論文では、理論的な変換効率と実際の測定値がほぼ一致している。その理論的な変換効率は、ほとんど熱電変換材料の性能に依存する。「ZTが2の熱電変換素子が実現出来れば、パネルの変換効率を14%にできる」(論文)。

一方で、製造コストは既存の太陽電池より小さくできるという。集熱式を採用したことで、熱電変換素子は小さいままで良く、それでいて太陽の追尾が要らないためだ。「(今回用いた)BiTe系材料の入手コストは、0.17米ドル/Wで済む」(論文)。真空容器を用いる点については、「中国では既に真空チューブを用いる太陽熱温水器が73GW分超も導入されている。これらの製品の耐久年数は15年ある」(論文)。しかも、今回のケースは、既存の太陽熱温水器より真空の程度が2ケタ悪くても良いのだという。

(日経エレクトロニクス 野澤哲生)

[Tech-On! 2011年5月9日掲載]

春割ですべての記事が読み放題
今なら2カ月無料!

セレクション

トレンドウオッチ

新着

ビジネス

暮らし

ゆとり

新着

ビジネス

暮らし

ゆとり

新着

ビジネス

暮らし

ゆとり

フォローする
有料会員の方のみご利用になれます。気になる連載・コラム・キーワードをフォローすると、「Myニュース」でまとめよみができます。
春割で申し込むログイン
記事を保存する
有料会員の方のみご利用になれます。保存した記事はスマホやタブレットでもご覧いただけます。
春割で申し込むログイン
Think! の投稿を読む
記事と併せて、エキスパート(専門家)のひとこと解説や分析を読むことができます。会員の方のみご利用になれます。
春割で申し込むログイン