エンベデッドシステムスペシャリスト 2017年 午前2 問16
問題文
エネルギーハーベスティング（環境発電）に用いられる熱電変換素子の説明として、適切なものはどれか。
選択肢
ア：自然光や人工光のエネルギーを、光起電力効果によって電気エネルギーに変換する。
イ：ゼーベック効果によって、温度差から電気エネルギーを発生する。（正解）
ウ：素子に照射される赤外線エネルギーの変化を、焦電効果によって検出する。
エ：ピエゾ効果によって、振動などの機械的エネルギーから電気エネルギーを発生する。
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熱電変換素子【午前2解説】
正解の理由
熱電変換素子は、素子の両端に温度差があると電圧が生じる「ゼーベック効果」を利用します。温度差から電気エネルギーを得る説明であるイが適切です。
身の回りの熱や排熱などを電気に変換できるため、エネルギーハーベスティング（環境発電）の手段として利用されます。
解法ステップ
- 問われているのが「熱電変換素子」であることを確認します。
- 「熱」と「電気」を結び付ける効果を思い出します。
- 温度差から電圧を生じるゼーベック効果を選びます。
選択肢別の誤答解説
- ア：光起電力効果による発電です。太陽電池など、光エネルギーを電気エネルギーに変換する仕組みです。
- イ：ゼーベック効果によって温度差から電気エネルギーを発生させます。熱電変換素子の説明として適切です。
- ウ：焦電効果を利用して、温度変化に伴う電荷の変化を検出します。赤外線センサーなどに用いられる仕組みです。
- エ：圧電効果を利用して、振動や圧力などの機械的エネルギーを電気エネルギーに変換します。
よくある誤解
- 「環境中のエネルギーを電気に変える」という点だけで、太陽電池などと混同しやすいです。熱電変換の手掛かりは「温度差」です。
- ゼーベック効果と焦電効果を混同しやすいです。ゼーベック効果は温度差から電圧を生み、焦電効果は温度変化に伴う電荷の変化を利用します。
- ピエゾ効果は熱ではなく、振動・圧力などの機械的な力に関係します。
補足コラム
ゼーベック効果では、異なる材料を組み合わせた回路の接点に温度差を設けると、熱起電力が発生します。温度差が大きいほど、一般に得られる電圧も大きくなります。発電には温度差が必要なので、素子の両側が同じ温度になると発電しにくくなります。
FAQ
Q. 温度そのものが高ければ発電できますか？
A. 高温であることだけでは十分ではありません。熱電変換には、素子の両端などに温度差が必要です。
A. 高温であることだけでは十分ではありません。熱電変換には、素子の両端などに温度差が必要です。
Q. ゼーベック効果とペルチェ効果は何が違いますか？
A. ゼーベック効果は温度差から電圧を生じる現象です。ペルチェ効果は電流を流すことで接点の吸熱・発熱が起きる現象です。
A. ゼーベック効果は温度差から電圧を生じる現象です。ペルチェ効果は電流を流すことで接点の吸熱・発熱が起きる現象です。
関連キーワード: エネルギーハーベスティング、熱電変換、ゼーベック効果、焦電効果、圧電効果、光起電力効果
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