太陽エネルギーについて : 太陽エネルギーの課題

太陽エネルギー生産におけるいくつかの課題

•ソーラーパネルの効率

•高い初期資本とメンテナンスコストPVエネルギーシステム

•土地の不足と資産価値の低下

•熟練労働者の不足

•断続性と電力品質の問題

•PVセルの材料の不足

•環境のマイナス面

太陽電池パネルの効率

地球の表面の平均太陽光発電は1平方メートルあたり174.7ワットであり、1時間で、太陽は地球に約3.21 x 10 ^ 20ジュールのエネルギーを供給します。

これは76,841メガトンに相当します。 2時間以内に、太陽は1年に使用される惑星全体よりも多くのエネルギーを提供します。

しかし、太陽電池の効率が低いため、このエネルギーのごく一部しか太陽エネルギーに変換できません。

ソーラーパネルは、完全なソーラーパネルを作るために直列または並列に接続された太陽電池の組み合わせです。

同心太陽電池は、光エネルギー吸収材料を含み、それを電気エネルギーに変換します。

太陽電池の効率は制限されます。これは、太陽光で利用できる光子エネルギーやエネルギーパケットに関係なく、1つの光子によって1つの電子しか励起できないためです。

太陽電池の最大効率も制限されており、Shockley-Queasier制限として知られています。

単一のpn接合を備えた太陽電池の最大太陽変換効率は、同心の太陽光とラボ内データで約46％（理論的に）であり、27％に達しています。

商用利用の場合、この効率はセルの合計サイズのわずか16％です。これは、太陽光が太陽電池に当たると、太陽光エネルギーの16％しか変換せず、残りのエネルギーが無駄になることを意味します。

セル効率が高いと、同じワットピークの電力（Wp-完全な太陽放射の下で太陽電池によって生成される出力電力）を生成するために必要な表面積が少なくなり、必要なセル数が減少するため、ユニットコストが低くなります。

要するに、効率の向上により、太陽光発電技術はエネルギー資源として大きな可能性を秘めているのです。

太陽光発電システムの高い初期資本と維持費

ソーラーパネルの設置は長期的には計り知れない利益をもたらしますが、初期費用は罰せられる可能性があります。

ソーラーパネルには、直接電気を交流電気に変換して発電するための反転電池と蓄電池も必要です。

ソーラーパネルの設置はかなり安価ですが、他の機器の設置は高価になります。

ソーラーパネルを購入する会社によっては、腕と脚の費用がかかる場合があります。

製造会社の助けがなければ、設置の全体的なコストを定量化することさえ困難です。

多くの国がソーラーパネルを設置できるようにリベートと税額控除を導入していますが、これにいくらかのお金を蓄えない限り、それは耐え難いコストになる可能性があります。

また、初期投資でも損益分岐点に達するまでに最大10年から15年かかる場合があります。

回収期間の長さではありません。化石燃料への依存を減らすことができるものは何でも試す価値があります。

特に、設置と保守は強調されていないことがよくありますが、太陽光発電による電化を難しい見通しにする他の課題と同じくらい重要です。

もう1つの課題は、ソーラーパネルを購入するトランザクションがどのように構成されているかと関係があります。ほとんどのソーラーパネルの設置は、顧客がパネル、機器、設置の費用を支払う1回限りの取引です。

同社はこれらの製品を提供してから、パネルを自分で設置するか、独立した設置業者を雇います。

これらの取引では、ソーラーパネルが故障したときに誰がメンテナンスにお金を払うのかがはっきりしないことがよくあります。

多くの企業は、修理技術者を数年後に遠隔地に連れて行ってパネルを修理するための財政的能力がほとんどありません（一部の企業は必ずしも関心がない評判と顧客満足度を除いて）。

顧客は、インストールに対してすでに多額の前払い保険料を支払っているため、メンテナンスに多くの追加料金を支払う立場にないことがよくあります。

病院、学校、企業は、20年間働くことになっていた2年後に予期せず故障したソーラーシステムにお金を注ぎ続ける余裕がありません。

しかし、誰もメンテナンスの費用を支払うことができない、または支払う意思がない場合、パネルは未使用になり、無駄になります。

土地の不足と資産価値の低下

もう1つの懸念は、太陽エネルギーがかなりの量の土地を占有し、野生生物の土地の劣化や生息地の喪失を引き起こす可能性があることです。

太陽光発電システムは既存の構造物に固定できますが、大規模な実用規模の太陽光発電システムでは1メガワットあたり最大3.5〜10エーカーが必要であり、CSP施設では1メガワットあたり4〜16.5エーカーが必要です。

場所によっては、大規模なユーティリティ規模のソーラー施設は、土地の劣化や生息地の喪失について懸念を引き起こす可能性があります。

総土地面積の要件は、技術、サイトの地形、および太陽資源の強度によって異なります。

風力発電施設とは異なり、太陽光発電プロジェクトが土地を農業用途と共有する機会は少なくなります。ただし、実用規模の太陽光発電システムによる土地への影響は、畑、廃鉱山地、既存の輸送および送電回廊などの低品質の場所に設置することで最小限に抑えることができます。

住宅や商業ビルに建設できる小規模な太陽光発電アレイも、土地利用への影響を最小限に抑えます。

近年、ソーラーファームを取り巻く宣伝は、不動産所有者や鑑定士の注目を集めています。

他の大規模な開発と同様に、実用規模のソーラーに代表される変化が懸念の原因となる可能性があります。

否定論者は、小屋への影響、排水の問題、生産的な農地を工業用に置き換えるという考えなどに関する懸念を表明しています。

この心配の多くは、プロパティ値への潜在的な影響という1つのことに帰着します。

最近完了したニューイングランドでの15年間の40万件の取引に関する調査では、近くのソーラーファームが緑地などの希少と見なされる資源に取って代わったときに、郊外の住宅資産の価値が悪影響を受けたことがわかりました。一方、この同じ研究では、農村地域にあるソーラーファームの資産価値に関連する影響は見られませんでした。

ただし、施設を低品質のエリアに配置するか、既存の輸送および送電の回廊に沿って配置することで、影響を減らすことができます。

熟練した太陽エネルギー労働者の不足

ソーラーパネルを設置するための1つの主要なハードルは、仕事をする熟練労働者の不足です。

ソーラーパネル設置の顧客は、20キロワットを超える電力を必要とする病院から、村全体に電力を供給するために500ワット未満を必要とする小さな村にまで及ぶ可能性があります。

これらのシステムの複雑さを理解するには、ある程度のトレーニングが必要です。この問題には、いくつかの異なる方法でアプローチしています。

一部の企業は、作業を行う広大な地域を旅行するために、専用の設置クルーを雇い、訓練しています。

ただし、この配置の問題は、現場間の移動が非効率的であり、専任の乗組員を給与に留めようとする企業にとって、ダウンタイムが非常に高くつくことです。

一方、これらの企業が独立した設置作業員を雇う場合、品質基準を確保することは困難です。また、企業は独立した乗組員が設定した料金の気まぐれです。

言うまでもなく、一部の地域では、独立した設置クルーを雇うことはできません。

適切なスキルを備えた人材の確保は1つの重要な課題であり、太陽光発電セクターは、関連するスキルセットを備えた従来の労働市場の労働者を雇用することで恩恵を受ける可能性があります。

しかし、国連開発計画（UNDP）が支援に加わっています。

最近、マリでは、UNDPは、村全体の設置、保守、およびサービスを実行するための女性の太陽光技術者のトレーニングに費用を支払いました。

これは、太陽光発電設備の困難な問題の1つを解決するだけでなく、トレーニングは村全体の経済的後押しにもなります。女性は現在、家族をさらに支援するために生活賃金を稼ぐことができます。

断続的-電力品質の問題

太陽エネルギー技術がもたらす最大の問題の1つは、太陽が輝いている間だけエネルギーが生成されることです。

つまり、夜間や曇りの日は供給が中断される可能性があります。

非常に晴れた時期には余剰容量が発生する可能性があるため、低コストでエネルギーを貯蔵する方法があれば、この中断によって生じる不足は問題になりません。

太陽光発電の世界的な容量が増加し続ける中、日本やその他の太陽エネルギー技術の世界的リーダーのような国々は、この問題に対処するための適切なエネルギー貯蔵の開発に焦点を合わせています。

太陽光発電システムをグリッドと統合する際、最も重要なパラメータは電力品質です。

電力品質とは、電源システムの電圧、周波数、および波形が確立された仕様に準拠している度合いです。

良好な電力品質は、規定範囲内にとどまる安定した供給電圧、定格値に近い安定したAC周波数、および滑らかな電圧曲線波形（正弦波に似ている）として定義できます。

不十分な電力品質は、周波数変動が望ましくない領域でプロセスを引き起こすため、電気機器および配電要素に害を及ぼし始めます。

さまざまな電力品質の問題について説明しました。

高調波

高調波歪みは、グリッド接続されたPVシステムの運用で考慮される主要な電力品質の問題です。

高調波は、基本波に重ね合わされた不要な高周波であり、高調波電流の性質である歪んだ波形を作成します。

高調波周波数は、基本周波数の本質的な倍数です。

グリッドタイドシステムの高調波の主な理由は、PVシステムの既存のパワーエレクトロニクスメカニズムです。

インバータを介した直流から交流への変換。電圧と電流の高調波をシステムに注入すると、電力品質の問題が発生します。

このような現象は、変圧器やコンデンサバンクの過熱を引き起こし、システムをますます不安定にし、信頼性を低下させます。

電圧変動

グリッド統合PVシステムでの電圧変動の主な原因は、太陽放射照度の断続的な性質です。

不均一な太陽放射照度は、一時的な雲やその他の環境条件が原因です。

これらすべてのパラメータは、電圧変動の過程を介してPVシステムを不安定に導きます。

不均一な電圧変動は、電圧のサグとスウェル、および短時間と長時間の中断につながります。

供給電圧が短時間低下する場合、それは電圧低下と呼ばれます（電圧はRMS電圧の10％〜90％の大きさの範囲で低下します）。

供給電圧が短時間上昇する場合、それは電圧うねりと呼ばれます（電圧はRMS電圧の110％を超えて上昇します）。

短時間および長時間の中断：中断は、最大1分間の電圧供給レベルの公称値の10％未満への低下として定義され、電圧中断と呼ばれます。

中断が1分未満の場合は短い中断と定義され、時間が1分を超える場合は中断に属すると言われます。

ただし、「中断」という用語は一般に短い中断を指すために使用され、後者の先頭には「持続」という単語が付いており、長期間または長い中断を示します。

無効電力

多くの場合、太陽光発電システムは、最大の太陽エネルギーを利用できるように、力率1の近くで機能することを目的としています。

この例では、電力網は太陽光発電システムから実際の電力を取得し、PVシステムの無効電力の流出を調整します。

したがって、無効電力が不足しているため、近接バスの電圧が改善されます。

アクション全体を通じて、システムの通常の電力流出は、無効電力が不足しているために望ましくない結果をもたらす可能性があります。

これにより、送信不足を伴う電力が減少する可能性があります。

周波数変動

周波数変動（変動）は、電力システム周波数の標準公称値（通常は50または60Hz）からの変動です。

許容値（+/- 5％）を超える周波数変動は、PVシステムには適していないため、システムが崩壊する可能性があります。

太陽光発電システムでは、周波数の変動は気候条件、天候、地形の位置に依存し、深刻な問題を引き起こす可能性があります。

太陽電池用材料の不足

現在世界市場を支配しているシリコン太陽電池には、3つの根本的な制限があります。

シリコンの代わりにペロブスカイトを使用して高効率の太陽電池を作る有望な新しい方法は、3つすべてに一度に対処し、太陽光からの発電を過給することができます。

シリコン光起電（PV）セルの最初の大きな制限は、必要な純粋な元素の形で自然界ではめったに見られない材料から作られていることです。

二酸化ケイ素（ビーチサンド）の形でシリコンが不足することはありませんが、それに付着した酸素を取り除くには膨大な量のエネルギーが必要です。

通常、メーカーは電極アーク炉で二酸化ケイ素を摂氏1500〜2000度で溶解します。

このような炉を稼働させるために必要なエネルギーは、シリコンPVセルの製造コストの基本的な下限を設定し、製造からの温室効果ガスの排出を増加させます。

特定のソーラー技術は、その生産に希少な材料を必要とします。ただし、これは主にCSPテクノロジーではなくPVテクノロジーの問題です。

また、現在の生産が将来の需要を満たすことができないほど、既知の埋蔵量が不足しているわけではありません。希少材料の多くは、対象を絞った採掘努力の焦点ではなく、他のプロセスの副産物です。

環境への影響

太陽エネルギーシステムに関連する汚染は他のエネルギー源に比べてはるかに少ないですが、太陽エネルギーは汚染に関連している可能性があります。

ソーラーシステムの輸送と設置は、温室効果ガスの排出に関連しています。

ソーラー技術の環境上の欠点の1つは、電子機器と同じ危険物が多く含まれていることです。

ソーラーがより一般的なエネルギー源になるにつれて、有害廃棄物の処分の問題は追加の課題になります。

しかし、適切な処分の課題が満たされていると仮定すると、太陽エネルギーが提供する温室効果ガス排出量の削減は、今後の化石燃料の魅力的な代替手段になります。

ただし、一部の有毒物質や化学物質は、太陽光を電気に変換する太陽光発電（PV）セルの製造に使用されます。

一部の太陽熱システムは、潜在的に危険な流体を使用して熱を伝達します。これらの物質の漏れは、環境に害を及ぼす可能性があります。米国の環境法は、これらのタイプの材料の使用と廃棄を規制しています。

他のタイプの発電所と同様に、大規模な太陽光発電所は、その場所の近くの環境に影響を与える可能性があります。

建設のための土地の開墾と発電所の配置は、在来の動植物の生息地に長期的な影響を与える可能性があります。

一部の太陽光発電所では、ソーラーコレクターやコンセントレーターの清掃、またはタービン発電機の冷却に水が必要になる場合があります。

一部の乾燥した場所でコレクターを清掃するために大量の地下水または地表水を使用すると、これらの水資源に依存する生態系に影響を与える可能性があります。

さらに、太陽光発電タワーが生成する集中太陽光のビームは、ビームに飛んでくる鳥や昆虫を殺すことができます。

それにもかかわらず、太陽エネルギーは他の代替エネルギー源よりもはるかに汚染が少ないです。