LowTempWasteHeat

低温余剰排熱を有効活用する技術に関する研究

東京都立大学・システムデザイン学部・機械システム工学科・菅原宏治

「排熱・廃熱（waste heat）」とは、活用されずにそのまま出される熱をいいます。産業分野では、高温となる動力機器・炉・加工対象などを冷やすために、大量の流体（空気・油・水など）を用います。が、これらの流体のほとんど活用されずに排熱となります。

その排熱が十分大きければ、液体を蒸気に状態変化させ、その蒸気で発電機を回して発電し、エネルギーを回収できます。バイナリ発電は、沸点の低い作動流体（100℃程度以下で蒸気になる液体）を用いて発電する手法です。高温の排熱を発生する施設では、すでに導入されている例が多いです。

では、温度が低く、バイナリ発電が使えない小規模の熱は捨てるしかないのでしょうか？

小規模の電力を回収する手法の候補として「熱電変換」があります。

「熱電変換」には、「バイナリ発電」に比べて、以下の特徴があります。

稼働部分・物質移動がない：発電機のような機械運動がありません・作動流体もありません

小さな熱で動作する：バイナリ発電のように、作動流体を気化させる必要がありません

その結果、設置面積あたりの発生エネルギーが高い

ただし、発生できる熱の総量は比較的小さい 10W以下程度か

熱電現象は、100年以上前から知られている現象です。熱電現象を示す物質（主に半導体）に

電圧を加えると、熱も移動します（ペルチエ効果）電子冷却・電子加熱

逆に

熱を流すと、電流が発生します（ゼーベック効果）熱発電

このうち、電子冷却は実用となっています。（コンプレッサ=稼働部分のない保冷庫）

熱発電も一部製品に組み込まれた例があります。

本研究室では、東京都下水道局の施設を用いて、下水処理施設で発生する、高温の水（温水、70〜80℃程度）と低温の水（冷水 10〜20℃程度）

熱電変換の外部効率は（入力した熱に対する得られた電力の比）は、数% 程度と小さいですが、温水はかなり大きな熱を持っています。

https://gyazo.com/3fb26342909337aa9f8096a55ee2c805

本件に関連する発表

日本熱電学会 学術講演会 2021年

岸本, 菅原, 西当, 再生と利用（日本下水道協会）Vol. 45, No. 166, 42－45．

日本熱電学会 学術講演会 2024年