国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）无机功能材料研究部[Masanobu Awano，研究部负责人]功能协调材料组高级首席研究员 Ryoji Funahashi 等人正在开发一种风冷便携式设备，可以利用工业炉、焚化炉、发动机等的废热发电热电发电我开发了一个设备。该发电装置无需使用冷却水即可发电，并且不需要复杂的安装工作。
该发电装置采用了AIST独立开发的氧化物，即使在800摄氏度的高温下也能稳定发电热电模块和风冷部分热管来实现的如果你的热源在200°C到800°C之间，只需将发电装置的集热部分放在高温位置即可发电，轻松利用工厂和焚烧炉的废热发电。也可作为灾害时的应急电源。该热电发电机的部件采用对人体无毒的钙、钴、锰氧化物材料制成，不含传统热电材料中含有的有毒铅，而且没有旋转或易燃部件，安全性高，发电过程中消耗的能量可在发电5个月左右回收。该发电装置可以通过根据废热量和所需电量连接多个发电装置来获得高输出。
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| 新开发的便携式风冷热电发电机和热电模块（左），以及与热电发电机一起运行的电子设备示例（右） |
一次能源中，只有30%左右能够得到有效利用，近70%作为废热排放到大气中。除了大量的废热之外，有效利用太阳能和地热等未利用热能的技术开发也在进行中。塞贝克效应热电发电可以在不依赖废热量的情况下以恒定的转换效率发电，因此有望有助于实现利用分散和稀释的废热发电。此外，由于热电发电利用温差发电，因此还可以利用太阳热、地热能、生物质等可再生能源进行发电，作为节约能源和解决全球环境问题的一种方式，世界各地的研究和开发正在取得进展。
9919_10017p型热电材料3公司4O9) 发现，n型热电材料3)的制造技术。此外，我们还开发了使用这些氧化物热电材料的热电模块，并以利用工业废热为目的，开发了可以利用工业炉和焚烧炉的废热发电的水冷热电发电机、可以在烧水的同时发电的发电锅和发电热水器。
这种水冷热电发电装置在一家使用工业炉和焚烧炉的工厂进行了测试，演示了200瓦至700瓦的发电量以及使用该电力的现场照明和炉冷却风扇的运行。当时，工业界，包括工业炉和焚烧炉的用户，要求一种不使用冷却水产生温差的发电系统。我们相信，这种温差发电装置可以利用其他水冷发电系统难以实现的小规模热量，从而促进温差发电的普及，因此我们的目标是开发一种不使用冷却水的便携式风冷装置。
当在传统氧化物模块的低温侧安装散热片并将加热温度设置为650°C时，利用自然热辐射产生热电时的输出可减少至水冷时的约35%（图1）。因此，为了开发即使在风冷时也能产生高输出电力的热电发电装置，我们开发了风冷技术，该技术能够1）提高氧化物热电模块的发电输出，2）提高高温耐久性，3）实现高输出发电。
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| 图1：利用散热片自然热辐射的风冷热电发电概述（左）以及水冷和风冷时的发电输出比较（右） |
1) 提高氧化物热电模块的发电量
为了提高传统氧化物热电模块的发电量，我们致力于提高热电元件的性能。 P型钙钴氧化物陶瓷元件是采用热压法制造的，该方法涉及在压力下烧结，但我们现在开发了一种新技术来精确控制热压过程中的结构。该技术改善了陶瓷晶粒的排列、尺寸和密度，改善了热电元件的结构。输出系数提高了约2倍。另外，为了提高热电模块的输出电压，通过减小热电元件的横截面积来增加模块中的元件数量。此外，我们还改进了元件排列技术内阻减少 20%。结果，在800℃的加热温度下，新开发的模块的发电输出为41W，比水冷发电机中使用的相同尺寸（基板尺寸：35cm见方）的传统模块高出22倍（图2）。
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| 图2 采用新开发技术和传统技术生产的p型热电材料的输出因数（左）与组件发电输出的比较（右） |
2) 提高高温耐久性
使用传统的氧化物热电模块，即使在800摄氏度的恒温下连续发电一个月后，输出也没有下降。然而，在重复加热和冷却的循环测试中，发电量可能下降高达20%。原因是 N 型热电元件在加热和冷却循环过程中出现微观裂纹。这次，我们发现在n型热电元件中添加添加剂可以抑制加热和冷却循环引起的裂纹的发生。在使用该N型热电元件的热电模块中，即使在600℃至100℃的高温加热温度下重复加热和冷却循环200次以上，也没有观察到发电输出的恶化。
3) 实现高输出发电的空气冷却技术
风冷型的组件高温侧和低温侧温差比水冷型小，因此发电输出较低。因此，为了实现与水冷一样高效的风冷，我们采用了利用工作流体汽化潜热的热管。工作液体的蒸发可以有效地冷却热电模块。由热管、散热片和风冷风扇构成冷却散热器，并与热电模块结合，制成风冷式温差发电装置（图3）。空气冷却风扇由该设备产生的电力（约05 W至08 W）供电，因此不需要外部电源或电池。该装置在500℃的加热温度下可输出23W的功率。相同条件下，同一热电模块水冷时的输出为28W，使得开发出发电输出为水冷式80%的风冷式发电装置成为可能。该器件在600℃的加热温度下可产生3W的最大功率输出。
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| 图3：利用热管的风冷温差发电概要（左）以及水冷、自然风冷和新开发的风冷温差发电的输出比较（右） |
使用开发的热电发电机，我们确认了工作功率为1W至3W的电子设备的操作。当加热温度达到200摄氏度时，LED灯打开，当达到400摄氏度时，可以使用温度传感器测量温度，无线传输数据，使用网络摄像头录制视频，无线传输数据以及为智能手机充电。此外，通过将其加热至500摄氏度，还可以充电并观看One Seg TV。
使用这种热电发电装置，可以远程控制工厂和焚烧炉的照明以及炉内的温度（图4）。炉凳越来越受欢迎，用于在灾难期间做饭和取暖，但它们也可以利用燃烧木柴的热能用作紧急电源。
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| 图4 使用便携式风冷热电发电机在工厂和焚烧炉中进行余热发电（左）以及在灾难期间作为应急电源（右）的示例 |
我们将在两年内对新开发的发电装置进行示范试验并投入实际使用，回收工业炉、焚烧炉的余热并作为应急电源。此外，我们将开发具有优异性能、耐用性、安全性和成本效益的新型热电材料和热电模块，并通过更高效的热电发电技术为节能、减少二氧化碳排放和创建新产业做出贡献。