熱電発電機（TEG）自作ガイド：仕組みからDIY手順まで

熱電発電機の側面断面図（出典：Wikimedia Commons）

近年、世界中でグリーンエネルギー収集（エナジーハーベスティング）が注目されています。理由はシンプルです。環境中に捨てられている熱や様々なエネルギー源から、バッテリーや電力網なしで電力を得られるからです。熱源としては熱、太陽光、電波などが挙げられます。熱電発電技術はこのグリーンエネルギーの一種で、ゼーベック効果を利用して温度勾配を電力に変換します。熱が逃げる場所で電気を生み出す、堅牢で信頼性の高いエネルギー変換デバイスを自作してみませんか？ それならDIY熱電発電機（TEG）の製作を検討してみてください。

本記事では、TEGの基本、詳細な製作手順、さらなる情報をお届けします。

TEG（熱電発電機）とは

熱電発電機の図解（出典：Wikimedia Commons）

TEG（ペルチェ発電機）は固体半導体デバイスです。デバイス両面の温度差を電気（直流電力）に変換します。

重要なのは、熱電クーラー（ペルチェ素子）とTEGを混同しないことです。両者は同じ構成部品を持ちますが、動作が逆です。熱電クーラーは電圧を印加すると電流が流れ、熱を冷側から熱側へ移動させます（ペルチェ効果）。一方、TEGは温度差から電力を取り出すデバイス（ゼーベック効果）です。TEGは固体デバイスの加熱・冷却に用いられ、異なる2種類の半導体材料（p型・n型）を用いてゼーベック効果を発揮させます。

ゼーベック効果については後ほど詳しく説明します。

熱電発電機の仕組み

TEGの構造

TEGの動作を理解する前に、その構造を把握しましょう。

TEGは通常、p型とn型の2種類の特殊半導体を持ち、それぞれ電子の密度が異なります。これらの半導体柱を交互に熱的に配置し、電気的には直列に接続します。両側を熱伝導性のプレート（セラミックプレートが望ましい）で接合します。セラミックプレートを使えば追加の絶縁体が不要です。半導体の自由端に電圧を印加すると、異種金属接合部を電流が流れます。その結果、温度差が生じます。冷却プレート側が熱（排気熱など）を吸収し、デバイスの反対側へ移動させます。

熱電発電機の動作原理

TEGはゼーベック効果によって動作します。半導体内部で電荷キャリアが移動するとこの効果が生じます。キャリアの種類は半導体によります：p型では正孔、n型では電子です。半導体の高温側からキャリアが拡散するため、デバイスの一方の端に電荷が蓄積されます。

同位体熱電発電機（出典：Wikimedia Commons）

この蓄積により、半導体両端の温度差に比例した電圧（起電力）が発生します。

ゼーベック効果とは

電気伝導性材料の2点間に温度差があるとき、その間に起電力が生じる現象です。この起電力を熱電起電力またはゼーベック起電力と呼びます。ゼーベック係数は、温度差と起電力の比で定義されます。熱電対を用いて、2種の異なる材料の高温側と低温側の電位差を測定します。電位差は温度差に比例します。

しかし、この効果には大きな温度差が必要という欠点があります。片側が過熱すると反対側も熱伝導で温まり、デバイスを破損させたり、発電量がゼロになったりします。最適な応答を得るには、片側のみを高温に保ち、反対側を冷却し続ける必要があります。

DIY熱電発電機の製作

DIY熱電発電機（出典：Phys.org）

DIY熱電発電機の製作に必要な部品リスト：

• ロウソク（10本）
• アルミトレー（1個）
• TEC（ペルチェ素子、8個）
• 絶縁テープ（1巻）
• 半田線（1巻）
• アルミプレート（1枚）
• X-actoナイフ（1本）
• ロックタイト（接着剤、1個）
• 電圧レギュレータ（1個）
• 半田ごて（1台）
• 熱伝導ペースト（1個）

製作手順

ステップ1：熱電クーラー（TEC）の固定と半田付け

まず定規でTECの寸法を確認します（約40×40mm）。TECを8個使用します（より多くの電流・電圧が欲しければ10個でも可）。8個の場合、アルミトレーの底面は160×80mm必要です。底面が平らであることを確認してください。そうでないとTECの接着が不完全になり、温度勾配が得られません。TECを取り付ける部分を絶縁テープで覆います。

TECの無地の面に熱伝導ペーストを塗り、文字面を上にして貼り付けます。すると配線が赤黒のペアになります。TEC4の黒線とTEC8の赤線以外を半田付けします。つまり、TEC8とTEC4は開放したままにします。最後にTEC5の黒線とTEC1の赤線を半田付けしてループを完成させます。半田付け部分にはさらに絶縁テープを貼り、他の面と接触しないようにします。

ステップ2：スタンドの作成

アルミトレーの高さ50mm、TEC厚さ約5mm、ロウソクの炎とTECの間隔15mmを考慮してスタンド高さを計算します。

• ロウソク＋炎 = 30mm
• トレー高さ＋TEC厚さ = 55mm
• TECと炎の隙間 = 15mm
• スタンド総高さ = 100mm

アルミプレートは約430×100mmを用意します。

ステップ3：電圧レギュレータ用サポートの製作

アルミ板を30×250mmに切り、端を折り曲げてトレーの側面にフィットさせます。コルク3個を接着してスタンドを支え、その上に電圧レギュレータを直接接着して絶縁します。

ステップ4：TEC配線と電圧レギュレータの接続

通常、黒線が負、赤線が正です。TEC8とTEC4間の電圧を測ると負電圧が出ます。これは初期の半田付け極性が逆になっているためです。電圧レギュレータへの接続を逆極性で行います。また、TECは温度差で動作するため、アルミプレートを用意し端を曲げます。これによりロウソクの熱をTECにより多く伝えられます。アルミプレート（160×120mm）はTECプレートより大きくし、熱伝導接着剤でTECに貼り付け、乾燥させます。

ステップ5：テスト

トレーが支えられるだけのロウソクを置き、点火してトレーをセットします。水と氷を入れて冷却水を作ります（水が冷たいほど発電量増大）。電圧レギュレータに接続したLEDが点灯し、表示電圧が上昇します。約2分待って安定したら、レギュレータのボタンを押して5V出力を得ます。

まとめ

本記事の手順に従えば、DIY熱電発電機の製作は可能です。このフリーエナジーデバイスの製作は、グリーンエネルギー推進の一歩として意義深く、温度差を容易に電気に変換できます。

TEGについてどう思われましたか？ デバイス設定でお困りなら、お気軽にご相談ください。喜んでお手伝いします。