アスファルトの熱を利用した発電 6 班 青木蒼 １. はじめに 近年特に都市部では温暖化の影響が顕著に表れて いる.その原因は温室効果ガスや,室外機からの排熱, アスファルトからの放熱など様々なものが挙げられ る.言い換えれば気温が高いということはその分だ け熱エネルギが大きくなるということである.そこ でこの熱エネルギを電気エネルギに変えることは出 来ないかと考えた. 今回はアスファルトに注目した.夏の日中では太 陽の日差しによりアスファルトの温度が 50～60℃ になることも珍しくない.そこでどのようにすれば この熱を効率的にエネルギ変換できるのかを考察し た. ２. ペルチェ素子を用いた方法 ２．１ペルチェ素子 １） 上記のエネルギ変換をする方法として,ペルチェ 素子を用いる方法を考えた.ペルチェ素子とは二種 類の異なる金属に電流を流すと,片方の金属から もう片方の金属に熱が移動するというペルチェ効果 を利用した半導体の素子である.電流を流すと片面 は放熱をし,もう片面は吸熱をするという仕組みで ある.しかし今回の実験では電流を熱に変えるので はなく,熱を電流に変えるため,ペルチェ効果とは対 照的なゼーベック効果を利用した.ゼーベック効果 とはペルチェ効果の逆過程であり,ペルチェ素子の 両面で温度差を生じると,温度差に比例して電位差 が生じるというものである.またゼーベック効果の 電位差V と温度差T には以下のような特性がある. V＝αT （１） ここでαとはゼーベック係数と呼ばれペルチェ素 子に固有の非線形で温度に依存した値をとる.一般 的なペルチェ素子ではゼーベック係数が常温の場合 50V/K から 100V/K 付近のものが多い.この式から わかるように,ゼーベック効果により得られる電位 差は温度差に対して mV オーダーとなる. ２．２作成したシステム 今回のテーマを実現するにあたって arduino でプ ログラムを組み,以下の３つのシステムを作成した. ① ゼーベック効果を利用し,ペルチェ素子の上 面が高温,下面が低温の場合温度差から発電す るシステム. ② ①のときに発生する電位差,上面の温度をペ ルチェ素子の両面に取り付けた温度センサから 読み取り,７セグメント LED を用いて表示する システム. ③ ペルチェ効果を利用し上面が０℃付近になっ た時にペルチェ素子に電流を流し上面を温める システム．（冬のアスファルトの凍結防止） ２．３実験方法 ①実験ではゼーベック効果を利用するため,ペル チェ素子の上面をヒータの表面に設置させ,下面を 地面に設置してヒータの温度を上げて温度差を生じ させた.このときペルチェ素子の端子を電位差計に つないでペルチェ素子の上面と下面の温度を放射温 度計を用いて電位差と温度差の関係を調べた. まずペルチェ素子の面を熱電シートを介して３つ のペルチェ素子を接着させそれぞれの導線同士をつ ないで直列接続した.次にペルチェ素子を電圧計に つないでヒータの温度を上げていき温度が安定して きたら直列につないだペルチェ素子の最上面をヒー タと接触させ,電圧計の目盛りを読み取った.ペルチ ェ素子の下面をそのまま常温で何も接触させない場 合と,温度一定の流水で冷やしながらの場合の２つ の条件で電位差と温度差,経過時間の関係を調べた. ヒータの温度を横軸,生じる電位差を縦軸に書いた グラフとヒータの温度を一定にして電位差を縦軸, 経過時間を横軸に書いたグラフをそれぞれ作成し, 直線で近似しゼーベック係数を求めた.ゼーベック 係数を求めたら arduino にV＝αT という関係式 を入力し,ペルチェ素子の上面と下面に設置した温 度センサを用いて温度差から電位差の理論値を算出 した. ②四桁の７セグメント LED の左二桁に電位差,右 二桁に上面の温度をそれぞれ mV,℃単位で表示する プログラムを作成した.３） ③上面が放熱,下面が吸熱側になるようペルチェ 素子と電池を繋いだ回路を作成し ,上面の温度が ５℃以下になった時に①の回路が③に切り替わるよ うにリレーを用いてプログラムを作成した. ３．結果 電位差と温度差の関係を表１,図１,電位差と経過 時間の関係を表２,図２に示し,装置が可動している 様子を図３に示した．また上面が５℃以下になった とき,リレーによって回路が切りかわることを確認 した。 表１ 電位差と温度差の関係表 一枚重ねたペルチェ 三枚重ねたペルチェ 電位差（mV） 温度差（K） 電位差（mV）温度差（K） 0.9 10 1.8 10 1.5 20 4 20 2.5 30 6.5 30 3 40 8.1 40 4.2 50 10.3 50 図1 表 ２ 電位差と温度差の関係グラフ 電 位 差 と 経 過 時 間 の 関 係 表 下面を空気中に放置 下面を流水で冷却 電位差（mV） 時間（s） 電位差（mV）時間（s） 11 0 10.6 0 5.2 3 9.7 3 2.1 6 9.3 6 0.2 9 9 9 0 12 8.8 12 0 15 8.5 15 0 18 8.3 18 0 21 7.9 21 図3 電位差１mV,上面の温度温度 21℃の表示 ４．考察 図 1 と図 2 からも分かるように,ペルチェ素子の下 面を常温放置した場合時間が経過するにつれ生じる 電位差が小さくなることが分かる.これは上面のヒ ータの熱が下面に移動して最終的に温度差が生じな くなり電位差が生じなくなるためだと考えられる. 流水に下面を接触した場合は時間に対して電位差の 変化がほとんどないことが分かる.このことから実 際に屋外でこの装置を作る場合,アスファルトと接 触させる反対側の面は冷却機能のある物体に接触さ せることで発電効率が良くなると考えられる.下水 道など配管,橋の下を流れる川などが候補として挙 げられるだろう.また,冷却機能のある物体を確保で きない場合は,なるべく上面の温度が下面に移動し ないよう,下面と上面の距離を大きくすることが必 要と考える.ゼーベック係数は 211V/K となったが ペルチェ素子がひとつだけ接続された場合は 81μV/K であったためペルチェ素子を重ねれば重ね るほどゼーベック係数は大きくなると考えられる. 今回の実験では温度差が 50℃ある場合でも 10ｍV 程 度しか生じないため数個ペルチェ素子を重ねた程度 では実用的な電位差を得ることはできない.電位差 を大きくするためにはペルチェ素子を多数重ねるこ とはもちろんのこと,集熱器などで集めた熱を利用 することが好ましいと考えられる. ５．結論 今回用いた装置で計画通りの回路,電位差を得る ことができた.しかし蓄電池に充電するためには 1.2V 程度の起電力が必要となるため,実用化するに は考察でも述べたような改良が必要である. 図 2 電位差と経過時間の関係グラフ ６．参考文献 1) 坂田亮編 熱電変換 (2005) 掌華房 2)http://garretlab.web.fc2.com/arduino/introdu ction/beginning_with_7segment_led/
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