以机械运作产生废热发电,提高设备效率的方式,以汽电共生的应用最广,但现在的应用多半限于中大型工厂,日本国立产业技术研发机构、产业技术综合研究所(AIST),现在则推物联网(IoT)或消费性电子产品的热电效应技术研究,希望替物联网应用提供新电力来源,同时提高现有发电系统效率。
与热机藉由废热制造蒸汽,进行汽电共生的发电方式不同,产业技术综合研究所目前的研发重点,摆在高效率热电材料与热电芯片的研发,2018年公布的成果,热电转换效率已从既有产品的7.5%水平,提高到12%,接下来的研究方向,是材料的耐久性。
目前产业技术综合研究所关注的材料,是碲化铅(PbTe),透过奈米(nanometer)技术加工,在热端温度摄氏600度、冷端温度摄氏10度的条件下,热电转换效率可以从没有奈米技术加工时的7.5%,提高到8.5%,若采用低温端与高温端结构个别设计的2段式热电转换模块,效率可进一步提高到12%。
温度差接近摄氏600度的应用,除汽电共生设备进一步提高效率以外,在汽车等机动设备,或是温泉与太空等天然有高温的环境,同样也有用途,特别是强调效率的中高阶电动车,车轮安装动能转换系统外,马达也可安装热电转换系统发电。
但这不表示热电转换材料只能用在高温环境下,产业技术综合研究所也试制热电效应传感器设备,人只要把手放在传感器上,产生的电力便足以启动体温、排汗等传感器,并透过无线通信模块,把资料传送到智能型手机上。
虽然低温下热电转换产生的电力比较低,但对于传输资料量低的若干物联网用传感器,已足敷应用,如医疗保健用途,或现有机器上贴附传感器,都可应用。
根据日本的能源基本计划,预定2030年要将再生能源应用比例提高到20%,而仍有60%会是火力发电,这些火力发电厂目前的热量应用效率,约为60%,在这些设备中追加热电效应设备,可望进一步提高火力发电系统的热量应用效率,以及再生能源应用效率。
除此之外,现在汽车的能源使用效率,理论上还有再提高5%的空间,但相关设备的建置成本问题,让车商与消费者都缺乏加装相关设备的动力,能否由热电材料或热电芯片代替,也是后续研究议题。