构建智慧社会需要数量庞大的各种传感器的电源，无法利用光伏发电的暗处能源供给是目前存在的一项课题。日本东北大学微系统融合研究开发中心及研究生院工学研究科机械功能创成专业的小野崇人教授领导的研究团队，利用微加工技术开发成功了量产热电元件的技术，同时还试制了利用周围的温度变化发电的热电系统，成功运行了无电池物联网（IoT）传感器。
利用此次的技术，在暗处等也能利用环境的温度变化来发电，可以临时蓄电，然后提供给传感器供其运行。将来有望应用于防灾、安防及构造物监测等传感器系统领域，可长期免去更换电池等维护作业。
未来IoT蓬勃发展的智慧社会，利用传感器在各种场景获得的信息会在网络空间进行处理，实现安全放心的生活及提高服务质量等。不过，如何向这些数量庞大的各种传感器提供能量成为一大课题。如果是明亮的场所，可以利用光伏发电为电池供电等，但在暗处则比较困难，因此，研究人员推进了旨在将热电发电等温差发电用于IoT传感器的研究。不过，热电发电需要有用来形成温差的高温热源，因此能利用的场景有限。本次研究开发了能利用环境的温度变化发电的常温发电器件，并利用其原型验证了IoT传感器可以实现无电池化。
如图1所示，此次开发的常温发电器件由热电发电元件、蓄热部和散热部构成。图1上部的热电发电元件利用容易量产的电镀技术制作了由多对Bi2Te3和Sb2Te3组成的热电元件，然后夹在Si基板之间制作而成。热电发电元件一面接触蓄热部，另一面接触散热部。该常温发电元件形成温差，或者感受到环境的温度变化时，热量会被蓄热部吸收，或者通过散热部散发。此时，热电发电元件的两侧会产生温差并发电。
图1：新开发的常温发电器件（为便于比较尺寸，放了一支笔）。左上侧的插图为内部结构，由蓄热部、热电元件、散热结构（背侧）、传感器、CPU和无线单元构成。
研究人员在建筑物内部设置了用来验证原理的常温发电单元，测量了发电量与半天的环境温度变化的关系（图2）。观察发现，一日内，早晨和傍晚温度大幅变化时发电量较大。发电的能源存储在蓄电部，可以在需要时为传感器、中央处理器（CPU）和无线单元供电，并无线发送传感器获得的信号。
图2：利用常温发电验证单元测量的随环境温度变化的发电量示例。图中显示了发电量在半天内随着温度变化而发生的变化。
图1中的常温发电原型嵌入了用来蓄电的电容器、温度传感器、CPU和无线单元，如图3所示，在没有使用电池的情况下，成功地持续向外部发送了温度传感器的数据。另外，为提高性能，研究团队还在开发通过向热电元件掺杂杂质来增加发电量的技术等。
为使此次的常温发电元件实现更大的功率输出，研究团队将加速推进开发，以尽快实现实用化。
图3：利用周围的温度变化发电，然后利用发电的电力运行无电池温度传感器，并无线发送通过传感器获得的信息。研究团队历时39天测量了建筑物内部的温度变化情况。证明利用常温发电元件可以在不使用电池的情况下运行IoT传感器。
论文信息
题目：Theoretical and experimental investigation of a thermoelectric generator （TEG） integrated with a phase change material （PCM） for harvesting energy from ambient temperature changes
期刊：Energy Reports
DOI：10.1016/j.egyr.2020.07.023
文：JST客观日本编辑部
