太陽エネルギー

I

プロローグ

太陽の内部でおこる核融合反応によって生成される膨大な放射エネルギーのことで、太陽は、毎秒3.85 × 10²³kW(→ ワット)のエネルギーを放出している。そして、フォトン(光子)とよばれる太陽から放射(→ 電磁放射)されたエネルギーをもつ粒子となって地球にとどき、大気による吸収や散乱などをうけながら地表に達している。太陽と地球は約1億4960万km(天文単位)はなれているため、地球に到達するエネルギーは、毎秒1.73 × 10¹⁸kWほどになる。

II

太陽定数

太陽放射の強さは、太陽定数とよばれる値であらわされる。これは地球と太陽の平均距離(天文単位)において、太陽放射に垂直な単位断面積(cm²)当たり単位時間(秒)に入射する太陽エネルギーの総量でしめし、地球大気の吸収をさけて大気圏外でえられた値をもちいる。人工衛星による測定結果の平均値では、1.37kW/m²ほどである。なお、この値は、厳密には一定しておらず、長期間、たとえば黒点の11年周期などで変動している(→太陽の「組成と構造」)。しかし、30年で約0.5%ぐらいの変動であることから定数としてあつかわれている。

利用できる太陽エネルギーの量は、利用する場所の緯度や、季節、天候などによってことなる。さらに、太陽エネルギーを利用する装置などの種類や構造によってもことなっている。太陽は、エネルギーを放出することで1%質量が減少するのにおよそ1000億年かかることから考えてみても、ほぼ無限のエネルギーであるといえる。

III

自然のエネルギー資源

地球に到達した太陽エネルギーは、地表面に達するまでに大気や雲などによって吸収、散乱されるので、太陽定数の約3分の2(約0.9kW/m²)に減少する。そして、約4分の1は、大気や海洋、植生によってエネルギー変換され、エネルギー資源として利用される。たとえば、風車は、太陽エネルギーと大気との相互作用の結果生じた風をエネルギー資源として、何世紀も前から利用されている。空気力学的に工夫された風車によって、あまり天候に左右されずに風力発電がおこなわれている。現在では、風力発電によってえられた電力は、特定地域のネットワークやコミュニティに供給されるまでになった。→ 市民風車

太陽エネルギーは、地球上の水の循環にも消費される。山間部への降水は、降水自体が位置エネルギーをもっているために下方にむかってながれだし、最終的にはそれらがあつまり川となる。水力発電は、このような水をダムに貯水し、水の自由落下による位置エネルギーを発電用タービンを回転させる運動エネルギーに変換させ、電力をうるシステムである。

太陽エネルギーのごく一部(約4.0 × 10¹⁰kW)は、緑色植物がおこなう光合成により炭水化物に姿をかえ、エネルギー資源となる植生(→ バイオマス)の成長をうながす。この炭水化物は、人類にとっても食料として貴重なものである(→ 食物連鎖)。しかも、数億年も前の植物やプランクトンなどの遺骸(いがい)は、石油や石炭、天然ガスなどにかわり、化石燃料として利用することが可能である。

地球に到達する太陽エネルギーのほぼ半分は、大気や陸地、海洋などに吸収され、これらの温度上昇にむすびつき、熱エネルギーへとかわる。たとえば、海洋が太陽エネルギーを吸収すると、海水の循環がおこり、海水中の温度勾配(おんどこうばい)が生じる。場所によっては、この垂直方向の温度勾配が、数百メートルで20°Cをこす場合もある。

ことなった温度の大量の海水が存在すれば、熱力学の法則により高温の物体から低温の物体へ熱が移動するため、エネルギーを発生させるサイクルをつくることは可能である(→ 熱力学)。これら2つの熱エネルギーの差から、タービンをうごかし、発電機をとおして電力をうることができる。このようなシステムを、海洋温度差発電(OTEC：→ 温度差発電)という。

IV

太陽熱エネルギーの利用

太陽熱エネルギーを直接利用するためには、太陽光線を集光するための太陽熱コレクター(集熱器)を必要とする。集熱器であつめられた熱エネルギーは、蓄熱器や熱輸送系をへて利用されている。蓄熱器は、太陽熱エネルギーを気体や液体を利用して蓄熱するシステムである。一方、集熱器から蓄熱器へ、また蓄熱器から利用機器へと熱エネルギーを液体や気体などを媒体としてはこぶシステムを熱輸送系とよんでいる。

太陽熱の集熱器には、2つの基本的なタイプがある。ひとつは平板型、もうひとつは集光型である。