新☆エネルギーコンテストの参加報告
相馬 岳

A Participation Report of the Alternative ☆ Energy Contest 2016
Takeshi SOUMA＊

Abstract
平成 28 年 10 月 8 日に日本大学工学部（福島県郡山市）において日本機械学会技術と社会部
門主催で開催された第 9 回新☆エネルギーコンテストに参加した．同コンテストは大学・高専の学生を主な対象とする「エネルギー利用」に関するコンテストで，本年度においては機械電子工学科相馬研究室から１チームが「熱電発電モジュールを利用したオフィス・家庭用空調機からの廃熱利用」のタイトルでエントリーした．今回は香川高等専門学校からは初めての出場であったが，参加学生が口頭発表およびポスターでのプレゼンテーションで健闘し，企業賞である「三菱重工冷熱賞」を受賞することがでた．また，同時開催の「ロハスの家見学会」では再生可能エネルギーのみで室内環境を維持する新しいタイプの家を見学し，エネルギー利用に関する見識を深めると同時に他校の学生と交流を持つことができた．

Keywords : エネルギー工学，熱電発電モジュール，再生可能エネルギー

1. 緒 言2011 年 3 月の東日本大震災を契機に日本のエネルギおけるエネルギー関係のコンテストへの取り組みは活ー政策やエネルギー供給体制について再考を迫られて発とは言えないのが現状であり，香川高専としてもこ1)

おり ，現在日本では太陽光発電などの再生可能エネれまで参加実績が無い状況であった．

ルギーの積極的な導入が促進されている．このようなエネルギー関係のコンテストの一つとして日本機械背景から，研究者や技術者のみならず日本国民全体が学会の技術と社会部門が主催する「新☆エネルギーコ

これまで以上にエネルギー問題への関心が高まっていンテスト」があり，近年は毎年開催されている．そこると考える．それに伴い，大学，高等専門学校（以下で，今回は初回の実績づくりとして同コンテストの参高専）等の高等教育機関においてもエネルギー教育の加を試みることとした．この参加によりエントリーす重要性がますます高まっていると言える．

る学生にとって全国の大学生や高専生とエネルギー関一方，全国の高専における教育の一環としてロボッ係の研究成果を競い合うことで教育効果が期待できるトコンテスト，プログラムコンテスト，デザインコンとともに，より視野を広げることが可能と考えた．まペティションが開催されている．これら３大コンテス

た，香川高専のエネルギー工学分野における学生の活トについては（独）国立高等専門学校機構本部のウエ動や研究成果を対外的にアピールすることができるの2)

ブページにもスケジュールが掲載され ，全高専を挙で高専のプレゼンスの向上を図ることができる．

げての取り組みがなされている．コンテストを通じた

本研究報告においては，同コンテストの参加を通し工学教育は学生の主体性を喚起でき，授業や実習とはて得られた知見に加え教育面および研究面における効異なる能動的な学ぶ姿勢を育むことができる教育シス果について考察することとした．なお，本論文に掲載テムと考える．しかしながら，現時点において高専にした出展作品およびその技術データについては，同コンテストにおけるポスターおよび口頭発表に用いたも＊香川高等専門学校 機械電子工学科のである．

93

独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要8(2017)

２．新☆エネルギーコンテストの概要

重金属が主流であったが，それは高価で毒性を有し，2.1. コンテストの経緯かつ耐熱性に劣るといった欠点があった．そのため，

新☆エネルギーコンテストとは日本機械学会の一用途も宇宙開発などの特定の分野に限定されていた．

部門である「技術と社会部門」が主催するイベントでしかしながら 1990 年代後半から安価で無害，かつ耐あり平成 20 年（2008 年）を起点に毎年開催されてい熱性に優れる酸化物セラミック系の熱電材料が新たる．対象としては大学・高専の学生であり，エネルギに開発されるようになった．当研究室ではこのようなー利用に関して斬新な発想をもとにアイディアを競

新しい熱電材料に着目し，地球環境に優しい熱電発電

3)

うコンテストである ．著者は平成 24 年（2012 年）モジュールの開発を目標としている．図２は試作したに福島県郡山市で開催された同コンテストを視察し，酸化物熱電発電モジュールの一例 4)であり，p 型材料参加校数，コンテストの雰囲気，技術レベルなどを調としてコバルト酸ナトリウム（NaCo2O4）焼結体を，n査した．

型材料として酸化亜鉛（ZnO）焼結体を 12 個ずつ使用し，合計 12 の p-n 対を内包したものである．

2.2. 本年度のテーマ
第９回を迎える本年度は福島県郡山市にある日本大学工学部 70 号館において 10 月 8 日に開催されることになった．今年度のテーマは「新☆エネルギーの有効な利用方法（冷凍，空調，給湯，調理など）を考えてみましょう！」であり，展示・実演部門とポスター部門の２部門に分けて実施された 3)．
図２ 酸化物熱電モジュールの試作例 4)

３．相馬研究室の熱電研究の紹介
機械電子工学科相馬研究室は平成 20 年 4 月にスタートした研究室であり，熱電変換モジュールおよびモ

このような新しい熱電材料による熱電発電モジュ

ジュールの中核となる熱電材料を研究テーマとしてールはまだ研究途上であるが，エネルギー問題解決のいる．

ためには是非とも開発の加速および幅広い普及が期

熱電材料は熱を電気に，あるいは電気を熱に直接変待される．

換できる性質を有しており，図１に示すように p 型とn 型の熱電材料をΠ（パイ）型に接合することにより４．本年度のエントリー内容および成果

廃熱等の熱源から電力を得ることが可能である．しか4.1. エントリーテーマの設定しながら一対では出力が低いので，実用的には数十か本年度においては機械電子工学科相馬研究室の５年ら百数十の対を内包させて一つのモジュールとする生が主体となったチームでコンテストにエントリーすのが一般的である．

ることに決定した．チームリーダーに選任された木内
廃熱源

啓介君が主体となって「熱電発電モジュールを利用し電極材料たオフィス・家庭用空調機からの廃熱利用」のテーマ熱電材料を考案した．日本中に設置されているエアコンの室外
pn

機はかなりの高温となるが，その熱は大気中に放出されているのみである．この廃熱に対して熱電発電モジ
ュールを用いて電力として回収できれば，一台あたり放熱の電力は小さくとも総量としては大きな電力になることが予想できる．また，前述の通り相馬研究室におい電流て熱電発電モジュールの研究ノウハウがあるため，出負荷展作品の製作が比較的容易と考えた．なお，エントリ

図１ 熱電発電方式の概要

ーの種別としてはエアコン室外機等の輸送が難しいた
め，ポスター部門とした．

従来の熱電発電モジュールにおいて中核となる熱電材料としてはビスマス－テルル（Bi-Te）系といった94

相馬岳:新☆エネルギーコンテストの参加報告

4.2. 作品の設計および製作
まず，作品の製作に先立ちエアコン室外機の温度測定を実施した．図３に香川高専高松キャンパス内の主なエアコンの室外機表面の温度測定の一例を示す．測定については日中の 9:00～17:00 の８時間を測定範囲とした．
今回の測定においては最大 45.7 ℃の結果が得られた．
Max. 45.7 ℃
Min. 27.9 ℃

室外機 1403020
室外機 240

図４ 発電ユニットのコンセプト図

30

Max. 41.7 ℃
Min. 29.5 ℃

20
室外機 3

4.3. 作品の性能測定

Max. 31.7 ℃
Min. 29.4 ℃

40

図５に完成した発電ユニットの写真を示す．今回はエアコン室外機からの廃熱回収を想定していたため高30温部である銅プレートでも 100 ℃を超えることは無いと判断した．よって銅プレートとモジュール間，お20
室外機 4

よびモジュールとヒートシンク間の接着にはシリコン

Max. 33.4 ℃
Min. 28.8 ℃

40系グリースを用いた．

30
20
9:00

11:00

13:00

15:00

17:00

図３ エアコン室外機の温度測定例
室外機 1：R36GNV（ダイキン製）
室外機 2：R22LES（ダイキン製）
室外機 3：RZYP112AA（ダイキン製）
室外機 4：RZYP112BB（ダイキン製）
図４に熱電発電モジュールを中核とした発電ユニットのコンセプト図を示す．底面には 200 mm×200 mm×t1.5 mm の銅プレート（cupper plate）を設置し熱源と図５ 発電ユニットの外観写真接触する設計とした．銅プレートの上に市販の Melcor製熱電発電モジュール（型番 618-724）を 20 個張り付発電ユニットの発電特性の測定には図６に示す回けた．モジュール同士は直列に接続した．20 個のモジ路を用いた．本来であればエアコン室外機そのものュールの上に150 mm×150 mm×35 mm のアルミニウを設置して発電特性を測定するべきであったが，電ム製ヒートシンクを乗せ，自然対流による空冷で温度気計測用機器類を屋外に設置するのが困難であった差を得る方式とした．空冷に比べて水冷のほうが温度ため，汎用のホットプレートを模擬熱源として代用差を大きく取れる可能性があるが，冷却水を循環させした．図３の測定結果を考慮してホットプレートのるためのポンプ電力を要することとなる．それに伴い設定温度を 40，50，60 ℃の三条件とした．各設定

発電ユニット全体のエネルギー収支がマイナスになっ温度に安定した後，図６の外部抵抗を変化させ電流ては意味が無いので，あえて電力を要しない空冷方式－電圧特性と電流－電力特性をそれぞれ測定した．とした．

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4.4. コンテストにおける口頭およびポスター発表
今回のコンテスト参加においてはチームリーダーである木内啓介君と著者の相馬が会場のある福島県の日本大学工学部に出張した．ポスターおよび口頭での発表は木内君が担当し，大学生や大学院生と一緒にプレゼンテーションをこなした．図８はポスター発表での一コマである．

図６ 発電特性測定回路
発電ユニットの発電特性の測定結果を図７に示す．
グラフの上部には今回の三条件に対応した数値を記述している．図７の結果より模擬熱源温度 50 ℃のときにユニットの高温部が 38.0 ℃，低温部が 31.8 ℃となり，開放電圧 888 mV，最大電力 10.8 mW を得ることができた．今回は一個の発電ユニットだけの結果であるが，必要に応じてユニット数を増設すればより大き

図８ コンテストにおけるポスター発表時の写真な電力を得ることが可能と考える．
主催者側の選考の結果，今回の香川高専からの発表
Hot plate I−V
40 ℃
●50 ℃
▲
60 ℃
■I−P○△□

TH / TL
32.0 ℃ / 28.1 ℃
38.0 ℃ / 31.8 ℃
41.0 ℃ / 34.4 ℃

P max
3.44 mW
10.8 mW
21.1 mW

1200

に対して企業賞である「三菱重工冷熱賞」を受賞する

20

いて本校以外から参加した高専は明石高専のみであっ

学生または大学院生であり，本年度のコンテストにお12600
8400

Power , P [ mW ]

16800

4200
00

ことができた（図９参照）．なお，参加者の大部分は大た．

1000
Voltage , V [ mV ]R
16.4 Ω
17.0 Ω
16.6 Ω

2040

60

080

Current , I [mA ]図７ 発電ユニットの発電特性
図９ 企業賞である三菱重工冷熱賞を受賞
ここで，本ユニットから得られる電力がどの程度のものか試算を実施した．日本には 810 万台のルームエ

4.5. ロハスの家見学会

アコンが存在しているが，１台あたりに本発電ユニッコンテストにおけるポスターおよび口頭のプレゼントを設置した場合，6～10 月の５ヶ月間の運転で回収テーション終了後に日本大学工学部に設置されているできる電力は総計 315000 kWh と試算できる．日本の「ロハスの家」の見学会に参加した．ロハスの家とは一世帯あたりの平均的な一年間の電力消費量は約再生可能エネルギーだけで快適な室内環境を保つロハ

3600 kWh となるので，87 世帯分の一年間の電力を賄

スの家１号をはじめ斬新なコンセプトで設計された建える計算となる．この試算はまだまだ粗いものである物の一群である 5)．この見学会の参加により，エネルが，学生にとってはエネルギー問題を考える上で重要ギー利用に関する見識を深めると同時に他校の学生であると考える．

（大学生および大学院生）と交流を持つことができた．

96相馬岳:新☆エネルギーコンテストの参加報告

5) ロハスの家パンフレットより，日本大学工学部

５．結論および今後の展望
本年度は香川高専としては初めて新☆エネルギーコンテストへの参加を試みた．得られた成果を以下に示す．
(1) 今回は初参加であったが，チームリーダーの学生が口頭およびポスターのプレゼンテーションで奮戦し，企業賞である「三菱重工冷熱賞」を受賞することができた．
(2) ロハスの家見学会においては，再生可能エネルギーのみで快適な室内環境を保持する斬新なコンセプトで設計された家屋を視察することができた．
(3) 今回の参加および受賞については香川高専Ｈ
Ｐトピックスで情報発信し，本校のエネルギーの教育および研究の活動を対外的にアピールすることができた．
この参加および受賞を契機に，今後もエネルギー分野における教育および研究に力を入れていきたいと考える．
６．謝辞
本年度の新☆エネルギーコンテストの参加においてはリーダーの木内啓介君はじめ相馬研究室のメンバーに多大な協力をいただいた．感謝の意を表したい．
また，今回のコンテスト参加のための資金は平成２８年度校長裁量経費の対外活動活性化支援経費から充当した．校長裁量経費として採択していただいた校長
先生はじめ関係教職員の御理解と御協力に深く感謝する．
７．参考文献1) 公益財団法人化学工学緊急提言委員会編，ゼロから見直すエネルギー，pp.1-4，丸善出版，平成 24
年．
2) URL: http://www.kosen-k.go.jp/event_calendar.html
3) URL: http://www.mech.ce.nihon-u.ac.jp/enecon2016/
contest.html
4) Takeshi Souma, Michitaka Ohtaki, Masayuki Shigeno,
Yasuhiro Ohba, Norikazu Nakamura, Toshitada
Shimozaki, “Jointing technique and power generation
characteristics of p-NaCo2O4 and n-ZnO oxide
thermoelectric modules,” Transaction of the Material
Research Society of Japan, 32 (2007) pp.701-704.

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