薪ストーブの熱を利用した熱電発電

4 熱電モジュール

薪ストーブの天板の温度が250℃であり、この温度で使える熱電モジュールとしてBi-Te系の熱電材料を選定した。Bi-Te系材料は室温近辺で性能が一番高くなる。これでは発電に向いていないので、性能の最大値を高温にシフトした、材料を検討、使用することにした。
図は特性の高温シフト例である。実線は冷却用のペルチェ材料である。実験線は高温シフトした材料の特性を示している。低温での特性はペルチェ材料に劣るが高温では優れた性能を示している。これにより発電特性は大幅に改善される。
実際に性能のピーク値を高温シフトした熱電モジュールの特性を示す。このモジュールでは効率7%以上、発電量1w/cm*cm以上の特性が得られている。素子数は161対であり、最大出力は6V、4Aである。3個を直列に繋げばディープサイクルバッテリー充電に最適となる。
Properties of the 14 Watt Module, HZ-14

Physical Properties Value Tolerance

Width & Length 2.47" (6.27 cm) ±0.01 (0.25)
Thickness 0.2" (0.508) ±0.01 (0.25)
Special Order ±0.002 (0.05)
Weight 82 grams ±3 grams
Compressive Yield Stress 10 ksi (70 MPa) minimum
Number of active couples 49 couples ------

Thermal Properties

Design Hot Side Temperature 230ーC (450ーF) ±10 (20)
Design Cold Side Temperature 30ーC (85ーF) ±5 (10)
Maximum Continuous Temperature 250ーC (480ーF) ------
Minimum Continuous Temperature none ------
Maximum Intermittent Temperature 400ーC (750ーF) ------
Thermal Conductivity* 0.024 W/cm*K +0.001
Heat Flux* 9.54 W/sqcm ±0.5

Electrical Properties (as a generator)*

Power** 14 Watts minimum
Load Voltage 1.65 Volts ±0.1
Internal Resistance 0.15 Ohm ±0.05
Current 8 Amps ±1
Open Circuit Voltage 3.5 Volts ±0.3
Efficiency 4.5 % minimum
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* At Design Temperatures
** At Matched Load, refer to the graphs for properties at various
operating temperatures and conditions.

上記モジュールは現在開発中とのこと、入手には時間がかかりそうである。サンプルとしては入手可能かもしれないですが。
今、入手可能な発電用のモジュールはHiZ社のものがある。下記にモジュールの基本特性をHPから引用した。
230℃〜30℃で14Wの出力が得られる。230℃〜100℃では9Wの出力が得られそうである。50Wの出力を得るには6個のモジュールが必要になる。出力電圧は6個直列に配置したとしてやく10V程度が得られる。
この条件でディープサイクルバッテリーに充電するには電圧不足であり、回路にDC-DCコンバーターを使用する必要が出てくる。

HiZ14発電モジュールの特性を実測した結果を図に示す。カタログ値を満足している。外観写真も示す。