top of page

光電池・電池の歴史

変な発電方法!? 4連発(可動部のない発電装置)

基本的な発電方法は、火力・水力・原子力を使ってタービンを回して発電機を回します。これは発電機内の磁石を回転させて周りのコイルに磁界を変化させて発電するという電磁誘導の原理を使っています。しかし、本体に可動部がある為にメンテナンスが必要となります。今回はこの電磁誘導の原理を使わない(可動部のない)発電方法を紹介します。半導体による発電がほとんどです。可動部が無い為に丈夫で長持ちになります。

​実験1:熱電発電①

物体の両端に温度差を与えると電位差が生じます。これは高温部では電荷をもったキャリアの活動が活発になり、低温部ではあまり活発にならないため電荷のバランスが崩れて、電位差となるからです。これを利用して電気を取り出せるものにペルチェ素子があります。

​材料:ペルチェ素子、お湯、氷、LED、ジュールシーフ回路

DSC_0023.JPG
DSC_1046.JPG
無題1.jpg

ペルチェ素子は半導体を利用しています。100℃程度の温度差で0.8V程度の電圧を発生させます。写真のLEDは発振回路をつなげて0.8V​でも光るようにしてあります。

無題2.jpg
DSC_1042.JPG
DSC_1043.JPG

これを利用して、スマホなどの充電用電源に鍋とセットにし発電鍋として売り出されていました。現在はあまり見かけなくなりました。効率の悪さでしょうか。ペルチェ素子は発電よりも電流を流すことで温度差を作り、パソコンなどの冷却装置として幅広く活用されています。しかも、従来のものと違い、本体に動力部がないことから丈夫でメンテナンスがあまり要らないことが強みです。いずれ効率の良い発電装置が開発されるでしょう。

​実験2:熱電発電②

​2種類の金属の両端に温度差を与えると、同じように電位差を生じます。写真は銅線と鉄の針金を加熱したものです。起電力は大変小さいので発電装置としてではなく、電圧を測定することで温度を測定する温度計(熱電対)として利用されてきました。しかし、最近はいろいろな企業で排熱から発電する装置として開発が進められています。まもなく実用化できそうです。以下のリンクから見てください。

​材料:針金(材質の違うもの)2本、検流計

無題3.jpg
無題4.jpg
無題5.jpg

​実験3:LEDで太陽光発電

もうおなじみのLEDは、電流が流れると半導体内で電子と正孔が衝突し消滅します。この時に光エネルギーが放出されます。半導体の素材によりいろいろな色になります。ではLEDに光をあてれば・・・・電気が流れます。LEDを並列に4個つなげます。そこに光をあてると、電流がわずかに流れます。LEDの数を増やし、強力なライトを当てるとLEDを光らすることも可能ですが、LEDは発光用に作られているため、発電用の太陽電池に比べて非常に効率が悪いです。

​材料:LED4つ、検流計、ライト、銅板2枚、ビーカー、バーナー

DSC_0025.JPG
DSC_0026[1].jpg
無題7.jpg

​半導体の多くは金属酸化物です。写真のように銅板を強熱し、水で急冷するとわずかですが亜酸化銅Cu2Oができます。これは半導体として活用できるので、この過熱した亜酸化銅板と普通の銅板を水に入れます。そこに光をあてるとわずかですが、起電力を生じます。この半導体で作った太陽電池が利用されています。

DSC_0024[1].jpg
無題8.jpg

この太陽光発電ですが、震災後に破格の40円/1kW時で買い取りをしたことで、日本中に設置されています。しかし、電気の質と安定供給に関してはかなり問題ありです。この太陽光パネル設置と撤去のために全家庭から年間1万円程、電気料金を上積みしています。エネルギー戦略としてはやはり原子力ですね。

​実験4:ピコピコライト

​圧電素子という物質があります。最近は振動から電気信号にし、センサーとして使用されています。また、音に変換する小型スピーカーにも使われています。今回は、振動を与えるとことで電気を取り出しています。

​材料:圧電素子、LED, ビー玉、フィルムケース

DSC_0027[1].jpg
DSC_1054.JPG
DSC_1056.JPG

​フィルムケースの底に穴を開け、両面テープで圧電素子を貼り付けます。圧電素子とLED(長い方がプラス端子です)をつなげます。ビー玉を入れてフタをして激しく振るとLEDが点灯します。

​電池は中学校3年生でかなり詳しく取り上げられるようになりました。簡単にまとめます。

化学電池

化学電池は左の図のように2種類の金属のイオン化傾向の違いを利用しています。イオン化傾向が大きい金属は溶液中にイオンとなります。この時、電子を残すのでこの金属が陰極になります。この電子が反対側へと移動して行きます。陽極ではその電子と電解液の陽イオンとくっつき、気体を発生します。有名なボルタの電池では電解液に塩酸を使うので水素が発生します。亜鉛は両性金属ですので、電解液がアルカリでも反応しますので、アルカリ電池になります。電解液に果物を使い果物電池も良く自由研究でおこないます。

燃料電池

最近よく言われる燃料電池は、簡単に言うと水素が酸素と反応して水ができる変化から電気を取り出します。 水素 + 酸素 → 水 この反応を急激にさせてしまうと、爆発して熱エネルギーになりますが、触媒でゆっくり反応させると電気を取り出すことができます。最近、電気分解装置で水素と酸素を発生した後に燃料電池として使える白金触媒を使った電気分解装置が出てきました。普通の電気分解装置では燃料電池にはなりませんが、電気分解後の電位差で電気を取り出せるために、燃料電池と勘違いして紹介されていることがあります。

​関連ページ

bottom of page