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【太陽エネルギー】

太陽エネルギー

本間琢也
筑波大学名誉教授
新エネルギー総合研究所、顧問

1.太陽エネルギー
太陽エネルギーは太陽から放射される電磁波であり、その99%は波長領域が300nm(紫外)から3,000nm(遠赤外)の範囲にある。他方、太陽エネルギーはその瞬間に太陽から到達した放射エネルギーであり、化石燃料のように過去の太陽エネルギーによる最終産物ではない。したがって、太陽エネルギーは温室効果ガスや非分解性の有害物質を排出することのない再生可能エネルギーである。

地上に降り注ぐ太陽エネルギー密度は、その場所の緯度、季節、角度、および天候条件によって変化するが、通常1kW/m2以下である。他方、太陽定数は、地球と太陽が平均距離にある場合、地球大気圏の直ぐ外側において、太陽の方向に対して垂直な単位面積当たり単位時間に到達する太陽エネルギー密度として定義される。その値は約1,368W/m2で、その精度は0.2%以内である。

2.太陽光発電
太陽電池は太陽光を直接電気に変換する物質である。物質のこのような特性は光電効果として知られており、1905年アインシュタインによって発見された。そして実質的な電力を発生した世界初の太陽電池は、1940年代から1950年初頭にかけて、ベル研究所によって作られた。

太陽電池は以下のような現象に基づいて発電機能を発生させる。
すなわち、光子が電子と衝突して電子にエネルギーを与え、その結果電子は価電子帯から禁制帯を超えて伝導帯へ移行し正孔を価電子帯に残す。半導体の接合ダイオードに入射光が組み合わされた時、電子と正孔は接合における電位勾配に沿って互いに反対方向に引っ張られ、接合を挟んで電圧が誘起される。回路を設定することによって電流が流れ、電力を採り出すことができる。

太陽光発電システムは完成された太陽光発電装置であり、それには太陽電池アレイと周辺装置が含まれる。アレイは複数の太陽電池を接続したものである。太陽電池セルはシリコン、硫化カドミウム、カドミウムテルル、ガリウムヒ素、CGIS系等の半導体材料による単結晶、多結晶、又はアモルファス形式で造られている。多結晶は結晶方位の異なる多数の結晶粒から構成された結晶で、単結晶よりも製作が容易なため太陽電池に広く使われている。アモルファスシリコンは非晶質の原子配列を持つシリコンと水素の合金である。太陽電池を造るためには、ガラス、金属、又はプラスチックの基板に、多くの蒸着法によって薄膜層を形成する方法が用いられる。

宇宙での太陽光発電による電力を地上で消費しようという壮大なシステムが宇宙太陽光発電(SPS)システムである。宇宙空間に広大な面積の太陽電池を設置し、発電電力をマイクロ波ビームで地上の中央充電設備に送電する方式が提案されている。

3.太陽熱利用
太陽熱エネルギー利用技術とは、太陽からの放射光を熱に変換する技術であり、その熱は暖房、空調、給湯、産業プロセスヒート、乾燥、蒸留、脱塩、および発電を目的に使われる。物体の暗色面を太陽放射光に向けて設置すると、物体は太陽エネルギーを吸収して加熱される。この原理を利用した簡単な太陽熱集熱器は、太陽光に向けて置かれた面によって構成されており、太陽エネルギーの一部は水や空気のような作動流体に吸収される仕組みになっている。大気への放熱を減らして変換効率を上げるため、通常は吸収面の上に1枚又は2枚のガラスシートが設置され、吸収面の裏側には熱絶縁が施される。このタイプの集熱器は、平板型集熱器と呼ばれており、約100℃までの熱が得られる。1,000℃あるいはこれを超えるような高温を得るためには、樋型放物面鏡や放物面鏡又は集光タワーを含む集光型集熱システムが使われる。

参考文献
Cutler J. Cleveland and Christopher Morris編;エネルギー変換懇話会:責任翻訳、オーム社、2007年9月

参  考

参考

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日本におけるメタン発酵技術の新展開(英文のみ) 2012.02.24
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