太陽エネルギーの高効率利用方法の評価と提案 E07100 峯村崇指導教員藤田吾郎地表に大気を通して入射するため，空気中の浮遊物による 1. 研究背景近年，風力発電・太陽光発電等の自然エネルギーを利用相当量の減衰を考慮する必要がある。ここでは，われわれした発電方式は，二酸化炭素排出や放射性廃棄物等の環境が，太陽エネルギー利用を考えるとき，よく澄んだ大気を汚染物質の排出が少なく環境負荷が小さいことから地球通して，太陽光に垂直な1m2の面に約1kWのエネルギーが温暖化の防止対策として注目されている。また，太陽光発放射されていると，想定している。[2] 電は，性能が向上し，設置や保守が容易でありかつ，補助また，場所によっては，大気の状態によってこの値を下金制度の開始等により世界的に見ても導入が進んでいまわることも当然考えられる。太陽は，夜間は利用できなる。[1]日本においても，環境問題への関心が高まり，1990 いという絶対条件がある。（曇りや雨天時も同様である。）年代から太陽光発電の導入は進んでおり，発電機の大容量また，太陽は，一日の中でも，方位が常に変化するととも化に伴い太陽光発電の導入容量も増加している。そこで，に，高度も変化する。これは，季節によっても変化する。本研究では図1で示すような，太陽光発電と太陽熱温水器太陽エネルギーを効率よく利用するためには，前述の特性のハイブリッド運転を行い，特性評価，その実用化を検証を考えた上で対処しなければならない。する。 4．太陽光発電(PV) PVとは太陽光エネルギーを利用して発電するシステムのことである。天候による，日射条件や照度，障害物の有無等により出力に変動が起きること，パネルの照射エネルギー変換効率が低く，得られる出力の損失が大きいことが懸念されている。しかし，NEDO技術開発機構は技術開発の継続・強化により2030年には汎用電力並の7[円/kWh]発電コストの達成が可能という裏付けの技術開発項目及び図1 提案システム概要 2. 研究目的目標を掲げている。 5．提案システムの概要太陽光発電の発電効率を低下させる原因の一つに，太陽図2に，提案する電熱併給型太陽光発電システムの概要光パネルの表面温度上昇が挙げられる。太陽光発電は，太図を示した。本稿で提案するシステムで使用する電熱併給陽光による光のエネルギーを電気エネルギーに変換して型太陽光発電パネルは，太陽光パネル背面に冷却水を循環いるのと同時に，太陽熱による熱エネルギーも受取っていさせる。このため，一般的な太陽光発電に用いられる蓄電るのである。その熱エネルギーはパネルの表面温度を上昇設備や制御回路以外に冷却水を貯める水槽（タンク）と冷させ，発電効率を低下させる。しかし，日常生活において却水を循環させるポンプを取付ける。熱エネルギーは暖房，給湯など様々な場所で使用されていここで，今回提案するシステムにおいて期待されるエネる。この点に注目し，太陽光モジュールの裏面に水冷式冷ルギー回収効果について試算する。まず，提案システムの却装置を取り付け，水という媒体を用いてモジュールの表入力エネルギーとなる太陽光エネルギーについては，表面面温度を下げると同時に水に熱エネルギーを蓄える（温積全体に太陽光が均一に照射し晴天と仮定した場合，単位水）システムを提案する。今回の研究では，提案システム面積（1 m2あたり1時間で1kWh(3600kJ)である。の試作機製作し実験的検討と数値解析より提案システムの有効性を明らかにすることを目的としている。さらに，PVモジュールの変換効率を13％と仮定すると， 1時間に0.13 kWh(468kJ)の電気的エネルギーを得ることができる。また，太陽熱温水器は，その熱変換効率を40％と 3．太陽エネルギーについて太陽エネルギーは，大気圏外では，太陽光に正対する 1cm2当たりに1分間に1.95calの熱が得られ，電力に換算すると，1 m2当たり，1.36kWになるとされている。太陽光は仮定すると，1時間に0.4 kWh(1440kJ)のエネルギーを得ることができる。水の比熱は，4.19であるので，水10ℓの温度を1℃上昇させるために必要な熱量は，水10ℓ=10000ｇであるので41900J/℃となる。仮に，単位面積および単位時間においてチューブ内の水の温度はどれだけ上昇するかを考える。前述したが、太陽熱温水器は太陽から単位時間表1 太陽光パネル仕様当たり1440000Jの熱エネルギーを得るので、1時間に製造会社型番種類公称最大出力公称開放電圧公称短絡電流公称最大出力動作電圧公称最大出力動作電流 1440000J/41900J/℃＝34.36℃ 水の温度が上昇するという計算になる。さらに，太陽熱温水器が単位時間当たり太陽から得るはずであるエネルギー，1440kJを，今度は，ガスを使ってチューブ内の水を温めるとすると、どの程度のコストが必要かを計算してみる。ガスの標準熱量を45MJ，1m3当たりの買い取り料金を140円とすると， SHARP NT-87A1 単結晶 87.00[Ｗ] 22.14[Ｖ] 5.37[Ａ] 17.58[Ｖ] 4.95[Ａ] 1440kJ/45MJ/m3×140円/ m3＝4.48円≒4.5円となる。次に，モジュールが1時間で発電するはずのエネルギー 0.13 kWhを，今度は電力会社から電気を買って発電すると，どの程度のコストが必要かを計算してみる。電力会社からの買電価格を，17円/ kWhとすると， 0.13 kWh×17円/ kWh＝2.2円となる。したがって，単位時間当たりのコストは，図3 太陽光パネル背面（冷却用水路施工後） 4.5円＋2.2円＝6.7円となる。したがって、今回提案するシステムを利用すると単位時間あたり6.7円程度のコストを削減できることとなる。 7. 試作電熱併給型太陽光パネル本稿で提案する電熱併給型太陽光パネルの試作機を図3 に示す。また，試作機に用いた太陽光パネルの仕様を表1 に示した。今回，太陽光パネル表面を冷却するために冷却水路をパネル表面に取り付けた場合，太陽光が冷却水路を通過する際に光の屈折が起こる等の理由で電気的変換効率の低下が懸念される。そこで，今回の試作機では太陽光図4 試作機用冷却水循環ポンプパネル背面に冷却水路を取り付けることとした。そして，冷却水路の素材としては，熱伝導率の観点からアルミ，銅などの金属素材を考えた。しかし，銅は腐食の問題があり 8. 今後の展望現在までに試作太陽光パネルおよび特性測定用設備（可水路には適さない。さらに，アルミは溶接加工が困難であり太陽光パネル背面全面に冷却水路を作成するには高い溶接技術と設備が必要であり断念した。また，太陽光パネル背面に取付けるため，全体重量を考慮し軽い素材が好ましい。そこで，加工しやすく軽いシリコンチューブを用いることとした。今回の試作機で使用したシリコンチューブは内径4mmである。図3に示したように，太陽光パネル背面に冷却水用の水路をループ状に取り付けており，冷却水路の容量はパネル１枚あたり約１ℓである。また，図4に示変温度・可変照度）を作成した。今後は，従来型とパネル背面冷却を行った場合とを比較し太陽光パネルの電気的変換効率を比較し冷却効果について試作機を用いて実測を行い検討したい。また，冷却水の温度変化を測定することも考えている。さらに，試験機実験より得られた結果を検討し数値解析シミュレータを作成し季節毎の外気温変化や日照量の変化に対応した年間を通じた電熱併用型太陽光パネルの効果を明らかにしていくことを考えている。す冷却水巡回ポンプはバスポンプを使用することにした。 9. 参考文献 [1] 「太陽エネルギー利用技術」，日本太陽エネルギー学会編，オーム社，2006年 [2] 「ソーラーエネルギー利用技術」森北出版 2004年