太陽エネルギー

I

プロローグ

太陽の内部で核融合反応によって生成される膨大な放射エネルギー(→ 核エネルギー：太陽)。フォトン(光子)とよばれるエネルギーをもつ、太陽から放射された粒子が宇宙空間から地球にとどき(→ 電磁放射)、地球大気による吸収や散乱などをうけながら地表に達する。

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の平均値をしめすと、1.37kW/m²(1.96cal/cm²・min)である。

また、この値は、一定しておらず、長期間、たとえば黒点の11年周期などで変動する。ほぼ、30年で0.5%ぐらいの変動である。実際に、地表面に達するまでには大気や雲などによって吸収、散乱されるので、地表面に達するまでに太陽定数の約3分の2に減少する。これを理想的な条件で算出すると0.9kW/m²になる。

利用できる太陽エネルギーの総量は、緯度、季節、天候などによってことなる。さらに、太陽エネルギーの蓄熱装置(コレクター)などの種類や構造によってもことなる。

II

自然のエネルギー資源

太陽エネルギーは、大気、海洋、植生に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。最近では、空気力学的に工夫された機械によって、あまり天候に左右されない風力発電がおこなわれるようになっている。現在アメリカでは、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。

大気圏の上端に到達した太陽エネルギーのおおむね30%は、地球上の水の循環に消費される。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(→ 位置エネルギー)。

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。→ ダム：気象学：水資源

太陽エネルギーは、光合成の作用により、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。木材や植物の化石などは、アルコールやメタンなどを抽出できることから燃料として利用することが可能である。

海洋は、太陽がもたらす自然界におけるエネルギー資源の典型的なものである。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(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、たとえば、タービンからの出力のようにメカニカルなエネルギーをとりだし、発電機をとおして電力をうることは可能である。このようなシステムを、海洋温度差発電(OTEC)という。このシステムには、大掛かりな熱交換機が必要であり、かつ、100万W単位の電力を供給するためのハードウェアが必要となる。→ 海洋

III

太陽熱の直接利用

太陽熱の直接利用には、太陽光線を集光してエネルギーをあつめるために人工的につくられた太陽熱コレクター(集光装置)を必要とする。コレクターであつめられたエネルギーは、蓄熱プロセスや光電、光電池のプロセスをへて使用されている。蓄熱プロセスでは、太陽エネルギーを気体や液体を利用して蓄熱したり、他に供給したりしている。いっぽう、光電池では、中間に物理的な装置なしに、直接、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換している。

太陽熱コレクターには、2つの基本的なタイプがある。ひとつは平板型太陽熱コレクター、もうひとつは集光型太陽熱コレクターである。

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平板型太陽熱コレクター

平板型太陽熱コレクターでは、太陽熱吸収板の中を通過してながれる搬送流体とよばれる流体に、太陽放射エネルギーをうけわたすという蓄熱プロセスになっている。これらの流路を通過した気体や液体などの搬送流体の温度は、吸収板からの熱伝達をうけ上昇していく(→ 熱：熱の伝達)。太陽エネルギーから、搬送流体中にとりこまれるエネルギー量は、太陽熱コレクターによってことなるため、瞬間の熱効率をパーセントでしめしている。また、最大の熱効率をえながら、吸収板からの熱の損失を最小限にするために光学的に透明なカバーを装着したりするなど、いろいろな工夫がなされている。平板型太陽熱コレクターの典型的な例では、40～80%の熱効率で搬送流体を82°Cまで加熱することができる。

平板型太陽熱コレクターの搬送流体として、これまで多くの場合水がつかわれ、ほぼじゅうぶんな効果がえられていた。住居に応用された代表的な例は、太陽熱温水器である。これは、北半球では南側に、南半球では北側にむけておく。また、水平面と太陽熱温水器のなす傾斜角の最適値は、その場所の緯度に関係している。一般的に、年間を通じて、水平面と相対的になす角が緯度とひとしい、もしくは±15度以内、また、方位は北半球では真南、南半球では真北か、もしくは±20度以内が最適である。

それにくわえて、最適な太陽熱温水器のシステムでは、循環のためのポンプ、温度センサー(→ センサー)、循環ポンプを作動させるための自動制御装置と蓄熱装置が必要である。

また、空気または液体(水か不凍液)が、太陽熱温水器でもちいられる。エネルギーの蓄熱媒体としては、岩石の土台や完全に隔離された水の貯蔵タンクなどが役にたつだろう。この蓄熱媒体が開発されると夏にたくわえた太陽熱を必要度の高い冬に利用することができるようになる。