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太陽光と熱を活用!それぞれの特徴を徹底解説!

資源が枯渇せず、何度も有効活用できることから注目されている再生可能エネルギー。その中でも特に有名なのが太陽エネルギーです。ひとくちに「太陽エネルギー」と言っても、実は太陽光を活用する方法と、太陽の熱を活用する方法の2種類があります。この記事では、太陽光活用と太陽熱活用の違いや特徴はもちろんのこと、有効活用する方法についてまとめました。今後太陽エネルギーの導入を検討している人はぜひ参考にして下さい。

そもそも太陽エネルギーって?

“太陽は70%が水素原子でできており、表面温度だけでも約5727℃になる高温の惑星です。水素は太陽の中心部で核融合を起こしてヘリウムへと変換されますが、その時電磁波へと変わるエネルギーも発生します。電磁波は太陽の外へ出て宇宙全体へ広がり地球にも届きます。地球に届く電磁波には、エックス線・ガンマ線・紫外線・可視光線・赤外線などが含まれていますが、エックス線とガンマ線は地球の表面にあるオゾン層によって遮られるため、地表に到達することはほとんどありません。

地表に到達する電磁波のうち、最も割合が大きいのが赤外線で全体の48%を占めています。次に多いのが可視光線で44%程度、残りの8%は紫外線です。太陽エネルギーとして活用されるのは、このうち可視光線と赤外線で、この2つを有効活用することで発電や給湯が可能です。太陽エネルギーの量はとても大きく、わずか一時間で従来のエネルギー一年分の量が賄えるほど。おまけに石油と違って太陽エネルギーは枯渇する心配がないため安心して活用できます。”

太陽熱利用給湯システムとは?

“太陽熱利用給湯システムも太陽エネルギーを利用したものです。しかし、これは基本的にお湯を作るためのシステムなので発電は行いません。そのため太陽熱発電のように反射鏡やレンズではなく、太陽熱を集める集熱ユニットを使用します。太陽熱利用給湯システムの利用方法はとても手軽で、自宅で使用している給湯機に集熱ユニットをそのまま接続するだけ。おまけに給湯器はガス・電気・石油どのタイプでも使用可能で、設置後は光熱費のコストカットとCO2の大幅削減につながります。

さらに、太陽熱利用給湯システムは給湯だけでなく家全体の床暖房としても利用できます。床暖房は足元を常に暖かく保ちますので、寒い冬でも快適です。このように、太陽熱利用給湯システムは手軽に設置できるだけでなく、環境や家計にも配慮された画期的なシステムです。”

太陽熱発電と太陽光発電の違い

“「太陽熱発電」と「太陽光発電」は、太陽の光を使って発電を行うため同一の発電方法と思われがちです。確かにどちらも廃棄物やCO2を出さず、環境に配慮して発電できるところは共通していますが、発電方法がまったく異なります。それぞれのシステムを簡単に説明すると、太陽熱発電は反射鏡やレンズによって集めた太陽光を熱へと変換して蒸気を起こし、タービンを回すことで発電します。一方、太陽光発電は太陽光電池と呼ばれる半導体パネルを使って太陽光を集め、電子が起こす現象を利用して発電を行います。

日本で多く利用されているのは太陽光発電ですが、太陽熱発電の導入についても積極的に研究が行われています。それぞれの詳細は後述しますが、どちらにも利用する上でメリットとデメリットがありますので、どれが圧倒的に優れていると言ったことはありません。太陽エネルギー導入はそれぞれの特徴を理解し検討するのがベストです。”

太陽光を使った発電方法

“先に述べたように、太陽光発電は「太陽光電池」と呼ばれる半導体パネルで発電するシステム。太陽光電池の表面に太陽の光が当たると、内蔵されている半導体の電子が光を吸収して作用し、太陽光から電力へと変換します。この変換は光電効果、または光起電力効果と呼ばれる電子が引き起こす現象で、上手く利用して発電しているのが太陽光発電の仕組みです。太陽光電池は材質によって発電効率が異なりますが、最も多く使われているのはシリコン系で、なんと全体の8割です。残りの材質は有機系や化合系ですが、シリコンが電気をよく通す半導体として活用しやすく、埋蔵量も豊富なことから重宝されています。

太陽光電池は「電池」と呼ばれていますが、実際は発電機としての機能だけで、乾電池のように蓄電はできません。また発電には太陽光が欠かせないため、日が暮れた夜や天候が悪い日は電力供給が安定しないのがデメリットです。太陽光で発電した電気を安定して使用する場合は、別途蓄電池も設置しなければいけません。しかし、先に述べたように廃棄物やCO2問題とは無縁ですし、何より発電の時に場所を取らないのが最大のメリット。住宅の屋根に太陽光電池を取り付けるだけで発電可能な状態になるため、国土の狭い日本にとって非常に魅力的です。”

太陽の熱を使った発電方法

“太陽熱発電は、太陽の光を熱に変換して発電する方法。反射鏡やレンズを使って集めた太陽の光を熱に変換し、それによって発生した蒸気がタービンを動かすことで発電します。タービンを使用することからも、どちらかと言うと太陽光発電よりも火力発電や原子力発電に似た仕組みです。しかし先に述べたように、太陽熱発電で蒸気を起こすのは太陽エネルギーのみで燃料は必要ありません。そのためCO2や廃棄物は発生せず、反射鏡やレンズなどの集光ミラーがあれば発電可能なので、太陽光発電よりも低コストで始められるメリットがあります。

太陽熱発電も太陽光発電と同じく曇天や夜間の発電はできません。しかし太陽熱は蓄電池がなくても保存が可能なので、夜間や天候不良時には保存したエネルギーで発電可能です。このように様々なメリットの多い太陽熱発電ですが、大きなデメリットもあります。それは発電用に広大な土地が必要なこと。蒸気でタービンを回して発電するため、太陽光を変換して得る熱は高温でなければいけません。これは反射鏡やレンズを大量に設置して得る必要があるため、どうしても広い土地が必要になります。このデメリットはスペースを取らない太陽光発電と対照的です。”

太陽熱発電の種類

“太陽熱発電は「パラボラ・トラフ型」「リニア・フレネル型」「タワー型」、そして「ディッシュ型」の4つに分かれます。パラボラ・トラフ型は、放射線状になった局面反射鏡とそれに設置されたパイプ、熱交換器を利用して太陽熱を発電エネルギーへ変換するシステム。太陽熱発電の中では最も一般的で、「トラフ・パラボラ型」とも呼ばれています。反射鏡の前に設置されたパイプにオイルを流し込み、太陽熱によって加熱されたオイルを熱交換機へと輸送し、蒸気を発生させてタービンを回して発電します。パラボラ・トラフ型は仕組みが非常にシンプルなので、低コストで稼働することができるのが最大のメリット。このシステムを活用することで、コストをかけず低予算で大規模な発電施設を作ることが可能だと期待されています。オイルの他に溶解塩を使用する場合もあります。

リニア・フレネル型はパラボラ・トラフ型によく似たシステムですが、こちらは集熱管を使用しています。集熱管は反射鏡より数メートル上に固定した状態で設置され、反射鏡は集熱管へ向けて集中的に集めた光を熱へ変換して発電します。パラボラ・トラフ型より発電効率が低いのが難点ですが、その分コストは安くなるのがメリット。もうひとつのメリットは天候の変化にも耐えられる装置の設計です。リニア・フレネル型に使用する集光用反射鏡は、凹型のものを少しずつずらしながら並べて設置しています。そのため、突風や強風が起きても反射鏡が固定された状態で使用可能です。

タワー型はソーラータワーを使ったシステムです。このタワーには集熱器が搭載されており、タワーの周りに数多く設置された平面鏡の光がタワーの上にある集熱器に熱として集められて発電する仕組みになっています。設置する平面鏡の数は、なんとおよそ数百枚から数千枚ほど。それほど多くの太陽光からの熱を一点に集中するため、高温の蒸気を発生し大きな電力が期待できますが、反射鏡を多く設置すること、太陽光を遮らないためにタワーを高く調整する必要があります。大きな電力発生と引き換えに多くコストがかかってしまうことが懸念されているため改良が進められているシステムです。

ディッシュ型は、先に述べたパラボラ・トラフ型、リニア・フレネル型のように放物曲線状の集光ミラーを使用するシステムです。ミラーの前には熱効率のいいスターリングエンジンが設置されているので発電効率が高い上、熱を下げるための冷却水も必要としません。スターリングエンジンの起用で集光ミラーも小さなサイズで充分になるため、コストをかけずに太陽熱発電が行えます。しかし実はディッシュ型は実用例が乏しいのが最大のデメリット。有効活用するためにはまだ研究が必要です。”

日本で太陽熱発電は普及する?

“コストの低さ、蓄電のしやすさから注目を集めている太陽熱発電ですが、日本で普及する可能性はまだ不透明です。その理由はいくつかありますが、ひとつは太陽熱発電が日射量に大きく依存すること。太陽熱発電は太陽光を熱に変換して発電するため、集めた熱の温度が高温であるほど電力が大きくなります。逆に言うと、日射量が少ないと太陽光を熱に変換しても高温にすることが難しく発電の効率が落ちてしまうのです。太陽熱発電を多く活用しているのは、アメリカ南部・カリフォルニア州一帯のサンベルト地帯です。ここは気温が高く日射量が大きいので太陽熱発電に有利なため最大活用されています。

日本は国土や気候が太陽熱発電のネックになる可能性が高く、これが普及を妨げるもうひとつの理由です。集光ミラーを多く使用する太陽熱発電は湿気が大敵。砂嵐の発生や曇天が多い環境だと稼働率はさらに低くなります。日本はアメリカより国土が狭いのはもちろんのこと、実は年間を通して天候の悪い日が多いです。夏場は気温が上昇しますが、同時に湿度も高くなります。晴天でもほとんどの地方はアメリカのように日射量が多くありません、そのため太陽光を集光ミラーで集めても熱に変換するのが難しく、現時点では太陽熱発電の普及は難しいと言えます。しかし、今後太陽熱発電の集光技術が向上し、湿度や曇天などの気候の変化に強い設備が開発される可能性はゼロではありません。今後の開発次第では日本でも太陽熱発電が普及する可能性は高くなるでしょう。”

太陽光発電と太陽熱発電ならどちらが良い?

“有効活用できる再生エネルギーとして、太陽光発電と太陽熱発電のどちらを導入した方がいいのか迷う人も多いでしょう。太陽熱発電は低コストで開始できますが、発電用に大きな機器を設置する必要がありますので広大な土地が必要です。また、先に述べたように太陽熱発電の集光ミラーは湿度に弱いので、高湿度の日本では使いこなすのが難しいと言えます。一方、太陽光発電は太陽光電池を自宅の屋根に設置するだけなので、場所を取らずに省スペースで導入することができます。太陽光電池だけでなく蓄電池も設置する必要があるため、その分コストはかかりますが、日本の気候でも問題なく発電できるところは非常に便利です。

これらのことから、設置するためのコストを抑えたい場合は太陽熱発電、気候に左右されず狭い場所で効率的に発電したい場合は太陽光発電を導入するのがベストです。ライフスタイルや自宅環境は個人によって異なりますので、どちらが自分に合っているか検討しましょう。”

太陽光発電と熱回収を同時に行えるシステムもある!?

“太陽光発電だけでなく、熱回収を同時に行えるシステムとして「追尾集光型太陽エネルギー回収システム」の研究・開発が進められています。これは集光した太陽エネルギーを光と熱のエネルギーに変換できる画期的なハイブリッド型システムです。変換できるエネルギーは約65%で、そのうち25%が電気、残り40%が高温水です。2017年9月から石川県白山市で実証試験が行われており、将来的には一般への販売も検討されています。

追尾集光型太陽エネルギー回収システムの商品化が実現すると、一般家庭用の電気だけでなく農業施設や水産の養殖施設、福祉関係にも有効活用できますし、遠隔操作を行うことで山岳エリアや離島など人口の少ないところへの供給も期待できます。このように、「追尾集光型太陽エネルギー回収システム」は再生可能エネルギーをさらに最大限に有効活用できるシステムとして注目が集まっています。”

まとめ

再生可能エネルギーの中でも特に知名度の高い太陽エネルギー。太陽光発電と太陽熱発電は年々注目が集まり、導入を検討している人も多いシステムです。この記事でもご紹介したように、太陽熱発電は低コストが魅力のシステムですが、日本の土地や気候・天候の問題から実用化はまだ研究段階の側面もあります。一方実用化が大幅に進んで多くの人に支持されているのは、少ないスペースでも発電が可能な太陽光発電です。太陽エネルギーを早めに導入したいと検討している人は、太陽熱発電ではなく太陽光発電をおすすめします。

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