世界で17億人以上1.7 billion people worldwideの人々が、今なお信頼できる電力供給を受けられていません。その多くにとって、太陽光発電は潜在的なエネルギーの救世主です。少なくとも、太陽が輝いている間は。
余剰の太陽光発電を暗い時間帯に蓄える技術は向上しています。しかし、冷たい夜空から電気を生み出すことができたらどうでしょうか。スタンフォード大学とUCLAの研究者たちがまさにそれを成し遂げたばかりです。すぐに太陽光発電の暗い双子になるとは期待しないでください。それでも、将来のエネルギー需要において重要な役割を果たす可能性があります。
この技術自体は新しいものではありません。実は、その原理は約200年前に発見されています。熱電発電機と呼ばれるこの装置は、2枚の金属板の間の温度差を利用し、ゼーベック効果と呼ばれる仕組みによって電気を生み出します。温度差が大きいほど、発生する電力も大きくなります。
この技術は、産業機械や自動車エンジンなどの発熱源から排熱を電力に変換するために、すでに利用されています。今回の研究では、同じ手法を応用し、外気と空に面した表面との間の温度差を利用しています。
この装置の2枚の板は上下に重ねられています。上の板は開けた夜空の冷たい空気に面し、下の板は地面に面して、より暖かい空気に囲まれた状態に保たれています。熱は常に、より冷たい環境へと放射され、環境が冷たいほど熱は速く放射されます。開けた夜空は下の板を取り囲む密閉された空気よりも冷たいため、上の板は下の板よりも速く熱を失います。こうして2枚の板の間に温度差が生じ、本研究では、その差は摂氏4度から5度の間でした。
異なる温度になると、熱は高温の下の板から低温の上の板へも流れ始めます。この装置は、この熱の流れを利用して電気を生み出します。
この小さな温度差では、発電量は限られます。研究者らの装置が生み出したのは、わずか1平方メートルあたり25ミリワット（mW/m²）で、小型のLED読書灯を点灯させるのに十分な量です。これに対し、同じ大きさの太陽光パネルであれば、32インチのLEDテレビ3台を稼働させるのに十分な電力が得られます。つまり、その電力は4,000倍です。
より大きな可能性
より乾燥した気候では、この装置はより高い性能を発揮できるかもしれません。湿潤な気候では、空気中の水分が下向きの下の板に結露し、板を冷やして2枚の板の間の温度差を縮めてしまうためです。例えば乾燥した地中海沿岸では、この装置は米国で発電した量の20倍の電力を生み出せる可能性があります。
この装置自体も改良の余地があります。例えば、製造業者は、日中は周囲の環境よりも低い温度に表面を保てるようなコーティングを施すことができ、その結果、夜間にはさらに冷たくなります。また、平板の代わりに波形の板を使用することもできます。波形の板はより効率的に放射を捕捉し、放出できます。これらの改良や、その他の実現可能な技術的アップグレードによって、出力は最大で10倍まで高められる可能性があります。
身近な技術の効率が継続的に向上していることから、熱電デバイスは近い将来、社会への電力供給において重要な役割を果たす可能性があります。私の同僚たちは、家庭用機器をインターネットや互いに接続する技術、いわゆるモノのインターネットを開発しています。その電力レベルはわずか1平方メートルあたり1.5メガワット（MW/m²）であり、乾燥した気候において強化された装置の手の届く範囲に十分あるエネルギー量です。
住宅の壁に取り付けた熱電発電機を複数接続することで、この技術は住宅のエネルギー負荷を目に見えて軽減できる可能性があります。また、実現可能性もあります。この技術は容易に大量生産でき、送電網への接続が高価または非現実的な地域において、実用的なエネルギー源を提供できるほど安価に販売することができます。
もちろん、熱電デバイスが太陽光エネルギーの夜の救世主として、バッテリー蓄電に取って代わることはおそらくないでしょう。バッテリーの価格は現在、10年前の4分の1にまで下がっており、バッテリー蓄電を備えた太陽光発電システムは、小規模な家庭用および産業用のエネルギー需要を満たす手頃な方法として、すでに普及しつつあります。
しかし、この技術は太陽光発電やバッテリー蓄電を補完する有用な手段となり得ます。さらに、バッテリーが故障したりパネルが破損したりした際には、送電網につながっていない人々にとって重要な予備のエネルギー源にもなります。最も冷え込む夜に何もかもうまくいかなくなったとき、熱電デバイスで暖房を動かせる人々は、少なくとも凍えるような夜気に感謝することができるでしょう。
