太陽エネルギーについて : 太陽エネルギーの定義

太陽エネルギーは、太陽の光と熱を利用して再生可能または「グリーン」な電力を生成します。太陽電池としても知られるソーラーパネルは、太陽エネルギーを利用する最も一般的な方法です。それらは、広いフィールドで太陽光を取り込むために、太陽光発電所ではほぼ端から端まであります。あなたは時々それらを建物の上に見つけるでしょう。セルの製造には半導体材料が使用されます。太陽の光線は、電子が細胞に当たると、原子から電子を解放します。これにより、電子がセル全体を自由に流れることができ、その結果、電気が生成されます。ソーラーコレクターは、はるかに広い規模で一度に何千人もの人々のために電力を生産することができます。太陽熱発電所は、太陽から電気を生成するためにさまざまな方法を採用しています。太陽のエネルギーは水を沸騰させるために利用され、蒸気タービンは石炭や原子力発電所と同様の電力を生成します。

ソーラーテクノロジーズ

太陽エネルギーは、次の3つの異なる技術を使用して利用できます。

1. 光を直接電気に変換する太陽光発電（PV）。

2. 太陽熱エネルギーを使用して大規模な電気タービンに電力を供給する集光型太陽光発電（CSP）。

3. 熱エネルギーを収集し、それを使用して水と空気を加熱または冷却する太陽熱暖房および冷房（SHC）システム。

太陽光発電（PV）

太陽光発電（PV）太陽エネルギーは、これらの材料内の電子を解放します。電子は、電気回路、操作デバイス、またはグリッドへの電気の伝送を介して移動するように誘導できます。 PVガジェットは、電卓から道路標識、さらには家庭や巨大な商業会社まで、あらゆるものに電力を供給するために利用できます。

太陽光発電（PV）技術はどのように機能しますか？

光子はソーラーパネル上の半導体材料をイオン化し、外部の電子がそれらの原子結合を切断します。電子は半導体構造によって一方向に駆動され、電流が流れます。結晶シリコンで作られた太陽電池は、特定の波長の光しか吸収できないため、100％効率的ではありません。一部の光スペクトルは反射されますが、他の（赤外線）は弱すぎて電気を生成できず、さらに他の（紫外線）は電気ではなく熱エネルギーを生成します。

他の形態の太陽光発電技術

結晶シリコン（c-Si）に加えて、PV技術には2つの基本的な形態があります。

• 薄膜PVは、商業用ソーラー事業の小さいながらも急速に拡大しているセグメントです。多くの薄膜企業は、新しい技術を実験している新興企業です。多くの場合安価ですが、c-Siモジュールよりも効率が低くなります。集光型PVアレイは、主に米国南西部の砂漠にあります。それらは、レンズとミラーを使用して、集中した太陽光発電を高効率セルに反射します。

• 建物に統合された太陽光発電

構造物の外層として機能し、オンサイトで使用したり、グリッドにエクスポートしたりするための電力を生成します。彼らは最も成功するために直射日光と追跡装置を必要とします。 BIPVシステムは、材料と電気のコストを節約し、汚染を減らし、建物の美的魅力を向上させることができます。

集光型太陽光発電（CSP）

CSPプラントは、ミラーを使用して太陽エネルギーを集中させ、それを使用して従来の蒸気タービンやエンジンに電力を供給して発電します。 CSPプラントの集中熱エネルギーは、昼夜を問わず、必要なときにいつでも貯蔵および利用して発電することができます。米国では、現在、約1,815メガワット（MWac）のCSP施設が稼働しています。

パラボリックトラフ

球面鏡は、放物面トラフシステムのトラフの中心に沿って動作するレシーバーチューブに太陽の力を集中させます。高温の熱伝達流体（合成油など）は、レシーバーチューブ内の太陽エネルギーを吸収し、水を加熱し、750°F以上の温度の熱交換器を通過することによって蒸気を生成します。電気を生成するために、蒸気は従来の蒸気タービン発電所に電力を供給します。一連のループとしてリンクされた何千もの平行なトラフの列が南北軸上に配置されているため、トラフは通常のソーラーコレクターフィールドで東方向から西方向に太陽を追跡できます。個々のコレクターモジュールの高さは、15〜20フィートから300〜450フィートの範囲です。

コンパクトリニアフレネルリフレクター

CLFRは、曲面ミラートラフテクノロジーに基づいていますが、より安価なフラットミラーの長い平行列を備えています。太陽のエネルギーは、水が流れるチューブの構造で構成された隆起したレシーバーに集中します。集中した太陽光は水を沸騰させる可能性があり、その結果、発電所や工業用蒸気の用途で直接使用できる高圧蒸気が得られます。

パワータワー

中央レシーバーシステムはパワータワーシステムで使用され、より高い動作温度とその結果としてのより高い効率を可能にします。太陽は、コンピューター制御のミラー（ヘリオスタットと呼ばれる）によって2つの軸に沿って追跡され、高い塔の上部にあるレシーバーに太陽光発電を集中させます。集中したエネルギーを利用して、移送流体を華氏1,000度以上に加熱し、蒸気を生成して中央発電機に電力を供給します。これらのプロジェクトは、エネルギー貯蔵を容易かつ費用効果の高い方法で組み込むことができ、24時間の発電を可能にします。

ディッシュエンジン

放物面皿の表面は鏡で覆われており、焦点に固定された受信機に太陽光を集中させます。蒸気を使用してタービンを介して電力を生成する他のCSPテクノロジーとは異なり、このディッシュエンジンシステムは、レシーバーで1,200°Fに加熱された水素などの作動流体を使用してエンジンを駆動します。太陽を追跡するために、各皿は2つの軸に沿って回転します。

集光型太陽光発電所の最も重要な要件

• 資金調達-プロジェクト資金調達は、CSPを含むユーティリティ規模のエネルギー生産インフラストラクチャの最も難しい側面です。

• 高太陽放射領域-太陽のエネルギーは、それに集中するために拡散しすぎてはなりません。これを決定するために、太陽エネルギーの直接法線強度（DNI）が使用されます。

• 雲に覆われていない隣接する土地-100MW以上の容量を持つCSPプラントは、最も効率的に機能し、したがって費用効果が高くなります。必要な土地の量はテクノロジーによって異なりますが、一般的なCSP施設では、容量1 MWあたり5〜10エーカーが必要です。土地面積が広いため、蓄熱が可能です。

• 水資源-石炭、天然ガス、原子力などの同様の火力発電所と同様に、ほとんどのCSPシステムは冷却のために水を必要とします。コレクションとミラーの表面をきれいにするために、少量の水だけが必要です。 CSP施設では、湿式、乾式、およびハイブリッド冷却システムを使用して、発電と節水の効率を高めることができます。

• 利用可能で近くにある送電アクセス-CSPプラントは、発電に適した地形に建設され、急速に過負荷で時代遅れの送電網に適切にアクセスできる必要があります。公益事業規模の太陽光発電施設の建設には、太陽光発電所から最終消費者に電力を輸送するための高公益送電線へのアクセスが必要です。南西部の既存の送電システムの多くは容量が不足しており、新しい送電が切実に必要とされています。

SHC（ソーラー暖房および冷房）システムは、ソーラー暖房および冷房システムの一種です。

太陽熱暖房および冷房（SHC）システムは、太陽の熱エネルギーを取得し、それを使用して、住宅、商業、および産業環境で温水、室内暖房、冷房、およびプール暖房を生成します。これらの技術により、電気や天然ガスは不要になりました。ソーラー暖房および冷房ソリューションは世界中で製造および設置されており、輸入燃料への依存を劇的に減らしています。この急成長している雇用創出セクターを拡大するために、政府は賢明な政策を必要としています。

太陽エネルギー貯蔵

ソーラーパネルには、最も熱心なソーラーエバンジェリストでさえ同意できる欠点が1つあります。それは、太陽が輝いているときにのみ発電するということです。一方、ピーク時のエネルギー使用量は夜間に発生し、太陽光発電の低下と一致して、需給問題を引き起こします。一方、ソーラーパネルは、太陽が輝いている需要の少ない時間帯に十分なエネルギーを生成して、その日のピーク需要を満たすことができます。これは、効果的な太陽エネルギー貯蔵が住宅所有者と企業の両方に幅広い利益を提供できることを意味します。

この記事では、太陽エネルギー貯蔵の利点、その動作方法、およびそれがどのように役立つかについて説明します。

太陽エネルギー貯蔵の利点は何ですか？

過剰なエネルギーを蓄えることは、ソーラーパネルシステムから最大のものを引き出すために重要です。それは、コスト削減、より効果的なエネルギーグリッド、および化石燃料排出量の削減につながる可能性があります。太陽エネルギーを貯蔵することにはいくつかの利点があります：

1.電気負荷分散

電気が蓄えられていない場合は、発電後すぐに消費する必要があります。エネルギー貯蔵により、ピーク需要に備えて余剰発電を貯蔵することができます。再生可能エネルギーに関して言えば、余剰電力を蓄えるということは、太陽が沈んだり、風が吹かなくなったりしても、ライトをつけたままにしておくことを意味します。簡単に言えば、エネルギー貯蔵は、需要が低く、発電量が多いときに充電され、需要が増加して発電量が減少すると解放されるエネルギー貯蔵庫を可能にします。

2.ギャップを埋めます。

短期間の太陽エネルギー貯蔵は、定期的なメンテナンスや雲の通過など、発電機の停止時にエネルギーの安定した流れを保証します。

3.エネルギーの回復力。

山火事から暴風雨まで、送電網は障害や停電を起こしやすい傾向があります。太陽エネルギー貯蔵は、エネルギーを取得する場所を分散化することにより、壊滅的なイベントの際に保護バブルを提供します。

太陽エネルギーを蓄える最良の方法は何ですか？

太陽エネルギーの貯蔵は、熱、バッテリー、機械の3つの部分に分類できます。それぞれを個別に見てみましょう。

蓄熱とは？

蓄熱は、水や溶融塩などのさまざまな材料を使用して、太陽からの熱を吸収して保持します。この加熱された媒体は、使用するときまで断熱タンクに保管されます。使用するときは、通常、エネルギー生産のために水を沸騰させます。

バッテリーストレージとは何ですか？

電気化学電池は、太陽エネルギーの貯蔵にも使用できます。太陽エネルギーがバッテリーに注入されると、エネルギーはバッテリーコンポーネント間の化学プロセスを通じて蓄積されます。バッテリーが消耗すると、反応が逆になり、電流がバッテリーから排出されます。リチウムイオン電池は、ソーラー用途で利用される最も普及しているタイプの電池であり、新しい電池技術は急速に発展しており、より安価で追加のスケーラブルな電池ストレージソリューションを約束しています。実際、2025年までに、英国の年間エネルギー貯蔵量はほぼ7.5 GWに達すると予測されており、2020年から6倍に増加し、73億ドルを超える市場価値を生み出しています。

機械的ストレージとは何ですか？

電気を生成するために、機械的エネルギー貯蔵は物体の予想されるエネルギーを使用します。余剰電力は機械的電力に変換され、後で使用するために電力に変換されます。機械的エネルギー貯蔵装置は、次の3つのカテゴリに分類されます。

• フライホイール。このアプローチでは、余剰電力を利用してフライホイールを回転させ、フライホイールが電力を生成してピーク需要に対応します。

• 揚水発電。水は揚水発電機の上の貯水池に上向きに汲み上げられます。電力に対する大きな需要がある場合、水はタービンを通過して発電することが許可されます。

• 圧縮空気。このエネルギー貯蔵技術により、圧縮空気がタンクや地下の地層などの巨大な船に注入されます。ピーク需要時には、空気を排出して発電します。

最も効果的な太陽エネルギー貯蔵

太陽エネルギー貯蔵に対する万能の答えはありません。太陽エネルギー貯蔵オプションは、ニーズとリソースによって異なります。商業用および住宅用の最も普及している太陽エネルギー貯蔵の代替案のいくつかを見てみましょう。

商業用太陽エネルギー貯蔵

機械的および蓄熱は、個人よりも予算が大きい公益事業会社やその他の企業にとって実行可能なソリューションです。これらのストレージシステムは高価かもしれませんが、電力会社がピークエネルギー需要を満たすのに役立ちます。

• 次世代バッテリーを搭載したグリッドエネルギー貯蔵。米国では、2020年は新しい電力貯蔵にとって画期的な年でした。国は、第3四半期だけで476 MWの追加ストレージを設置し、前四半期の記録的な合計から240％増加しました。新しい展開の大部分は1時間のフロントオブザメーター（FTM）ストレージシステムですが、商用太陽エネルギーストレージの将来を垣間見ることができます。

• 圧縮空気。最新の政府の見積もりによると、圧縮空気のコストはkWhあたり105ドルであり、大規模なアプリケーションにとって最も費用効果の高い機械的ストレージの代替手段となっています。

• 揚水発電。消費されなかった太陽エネルギーは、水を上向きに汲み上げるために利用され、大量の位置エネルギーを生成する可能性があります。揚水発電のコストは現在約165ドル/ kWhであり、大規模な機械的エネルギー貯蔵に2番目に優れたオプションです。ただし、新しい揚水発電にはかなりの初期費用とかなりの規制上のハードルが伴うため、特定の場所でしか実行できません。

家庭用太陽エネルギー貯蔵

コスト削減、回復力、および電力出力の分散化（「仮想発電所」としても知られる）は、住宅用太陽光発電の利点のほんの一部です。ただし、上記で概説した商用エネルギー貯蔵ソリューションは、平均的な住宅所有者にとって法外に高価である可能性があります。ありがたいことに、蓄電池は、太陽エネルギーを蓄えるための費用効果が高く信頼性の高いソリューションを家庭に提供できるようになりました。

リチウムイオン電池は、家庭で太陽エネルギーを貯蔵するための最も人気のある選択肢です。それらは安価であり（そして安くなっています）、目立たず、さまざまな目的に使用できます。塩水電池と鉛蓄電池は、家庭でよく使用される電池の2つのタイプです。

バッテリーの種類に関係なく、家庭用予備電源を使用すると、住宅所有者は、生産量が多く需要が少ない期間（たとえば、就業日中）にエネルギーを節約して、需要が高い時期に発電量が減少するときに使用できます。家庭用太陽エネルギー貯蔵の利点は、大規模な太陽エネルギー貯蔵の利点と同様であり、弾力性、途切れのない電力、およびコスト削減をもたらします。これらの利点は住宅所有者に受け継がれます。

では、バッテリーはどのように正確に機能しますか？

電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。それらは、アノードとカソードの2つの電極で構成されており、導電性材料で形成され、セパレーターによって分離されています。

イオンを含む化学物質である電解質は、アノードとカソードの間に位置し、カソードとアノードの導電性要素と反応して電流を生成します。

電極内の化学的酸化還元（酸化還元）反応により、イオンが2つの電極間を移動し、電子が1つの電極から放出されます。自由電子は一方の電極に集まり、電子がもう一方の電極に移動することによってバランスをとろうとするさまざまな電荷につながります。

一方、セパレーターはそれらの動きを止め、電気回路を効果的に遮断します。回路が形成された後（アノードとカソードの両方がリンクされている）、電子は電極間を移動でき、バッテリーは効果的に消耗します。

各種電池

バッテリーには、さまざまな化学的特性、ライフサイクル、エネルギー密度、動作温度、および電力密度パラメーターがあります。以下は、最も一般的なバッテリー技術です。

• 鉛蓄電池（PbA）

• ニッケル水素（NiMH）

• ニッケルカドミウム（NiCd）

• リチウムイオン（Li-ion）

• ナトリウム-硫黄（NaS）

• 炭素-亜鉛f）亜鉛-臭素

太陽エネルギーの定義の概要

より多くの人々が再生可能エネルギーとグリーンエネルギーに切り替えるにつれて、それぞれの利点と欠点を理解することが重要になります。現代的で環境に優しいエネルギー源に切り替える前に、あなたとあなたの家族が余裕のある予算を考え出すようにしてください。次に、太陽エネルギーの選択が長期的にどれだけの費用がかかり、どれだけ節約できるかを把握します。あなたと家族に特別な長所と短所のリストを作成して、どの解決策が他の解決策よりもあなたに役立つかをよりよく理解できるようにします。