太陽エネルギーは、太陽によって生成されるあらゆる種類のエネルギーです。

太陽エネルギーは、太陽内で起こる核融合によって生成されます。核融合は、水素原子の陽子が太陽の核内で激しく衝突し、融合してヘリウム原子を生成するときに発生します。

PP (プロトン-プロトン) 連鎖反応として知られるこのプロセスは、膨大な量のエネルギーを放出します。太陽はその中心部で毎秒約 6 億 2,000 万トンの水素を核融合させます。PP 連鎖反応は、太陽とほぼ同じ大きさの他の星でも起こり、継続的なエネルギーと熱をそれらの星に提供します。これらの星の温度は、ケルビンスケールで約 400 万度 (摂氏約 400 万度、華氏 700 万度) です。

太陽の約 1.3 倍の大きさの星では、CNO サイクルがエネルギーの生成を推進します。CNO サイクルも水素をヘリウムに変換しますが、その変換には炭素、窒素、酸素 (C、N、O) が必要です。現在、CNO サイクルによって生成される太陽エネルギーは 2% 未満です。

PP 連鎖反応または CNO サイクルによる核融合は、膨大な量のエネルギーを波や粒子の形で放出します。太陽エネルギーは絶えず太陽から、そして太陽系全体に流れ出ています。太陽エネルギーは地球を暖め、風や天候を引き起こし、動植物の生命を維持します。

太陽からのエネルギー、熱、光は電磁放射 (EMR) の形で流出します。

電磁スペクトルは、さまざまな周波数と波長の波として存在します。波の周波数は、特定の時間単位内に波が何回繰り返されるかを表します。非常に短い波長の波は、一定の単位時間内に複数回繰り返されるため、高周波になります。対照的に、低周波ははるかに長い波長を持っています。

電磁波の大部分は私たちには目に見えません。太陽から放出される最も高周波は、ガンマ線、X 線、紫外線 (UV 線) です。最も有害な紫外線は、地球の大気によってほぼ完全に吸収されます。強力ではない紫外線は大気中を伝わり、日焼けを引き起こす可能性があります。

太陽も赤外線を放射しますが、その波ははるかに低い周波数です。太陽からの熱のほとんどは赤外線エネルギーとして到着します。

赤外線と紫外線の間には可視スペクトルがあり、地球上で見られるすべての色が含まれています。赤の色 (赤外線に最も近い) の波長が最も長く、紫 (UV に最も近い) の波長が最も短くなります。

自然太陽エネルギー

温室効果
地球に届く赤外線、可視光線、紫外線は、地球を温暖化させ、生命の存在を可能にするプロセス、いわゆる「温室効果」に関与しています。

地球に到達する太陽​​エネルギーの約 30 パーセントは反射されて宇宙に戻ります。残りは地球の大気中に吸収されます。放射線は地球の表面を温め、表面はエネルギーの一部を赤外線波の形で放射します。それらは大気中を上昇するときに、水蒸気や二酸化炭素などの温室効果ガスによって遮断されます。

温室効果ガスは熱を閉じ込め、大気中に反射します。このようにして、それらは温室のガラス壁のように機能します。この温室効果により、地球は生命を維持するのに十分な暖かさが保たれます。

光合成
地球上のほぼすべての生命は、直接的または間接的に食物として太陽エネルギーに依存しています。

生産者は太陽エネルギーに直接依存しています。彼らは太陽光を吸収し、光合成と呼ばれるプロセスを通じてそれを栄養素に変換します。独立栄養生物とも呼ばれる生産者には、植物、藻類、細菌、菌類が含まれます。独立栄養生物は食物連鎖の基礎です。

消費者は栄養素を生産者に依存しています。草食動物、肉食動物、雑食動物、および腐食動物は間接的に太陽エネルギーに依存しています。草食動物は植物や他の生産者を食べます。肉食動物と雑食動物は生産者と草食動物の両方を食べます。腐敗食動物は植物や動物の物質を消費して分解します。

化石燃料
光合成は地球上のすべての化石燃料にも関与しています。科学者らは、約30億年前に最初の独立栄養生物が水生環境で進化したと推定している。日光は植物の生命の繁栄と進化を可能にしました。独立栄養生物は死んだ後、分解して地球の奥深く、時には数千メートルに移動しました。このプロセスは何百万年も続きました。

強い圧力と高温の下で、これらの残骸は私たちが化石燃料として知っているものになりました。微生物が石油、天然ガス、石炭になったのです。

人々はこれらの化石燃料を抽出し、エネルギーとして使用するプロセスを開発してきました。しかし、化石燃料は再生不可能な資源です。それらが形成されるまでには何百万年もかかります。

太陽エネルギーの利用

太陽エネルギーは再生可能な資源であり、多くのテクノロジーにより、それを直接収集して家庭、企業、学校、病院で使用できます。いくつかの太陽エネルギー技術には、太陽電池およびパネル、集中太陽エネルギー、および太陽電池アーキテクチャが含まれます。

太陽放射を捕捉して使用可能なエネルギーに変換するには、さまざまな方法があります。この方法では、アクティブ太陽エネルギーまたはパッシブ太陽エネルギーのいずれかを使用します。

アクティブソーラー技術は、電気または機械装置を使用して太陽エネルギーを別の形式のエネルギー（ほとんどの場合は熱または電気）に積極的に変換します。パッシブソーラー技術は外部デバイスを一切使用しません。その代わりに、地元の気候を利用して、冬の間は構造物を暖め、夏の間は熱を反射します。

太陽光発電

太陽光発電は、1839 年に 19 歳のフランスの物理学者アレクサンドル エドモン ベクレルによって発見された能動太陽技術の一種です。ベクレルは、塩化銀を酸性溶液に入れて太陽光にさらすと、それに取り付けられた白金電極が電流を発生させることを発見しました。太陽放射から直接電気を生成するこのプロセスは、光起電力効果、または太陽光発電と呼ばれます。

今日、太陽光発電はおそらく太陽エネルギーを利用する最も一般的な方法です。太陽光発電アレイには通常、数十、場合によっては数百の太陽電池の集合体である太陽電池パネルが含まれます。

各太陽電池には半導体が含まれており、通常はシリコンでできています。半導体が太陽光を吸収すると、電子が放出されます。電場は、これらの遊離電子を一方向に流れる電流に導きます。太陽電池の上部と底部にある金属接点は、その電流を外部の物体に導きます。外部オブジェクトは、太陽光発電の電卓ほど小さい場合もあれば、発電所ほど大きい場合もあります。

太陽光発電は宇宙船で最初に広く使用されました。国際宇宙ステーション (ISS) を含む多くの衛星には、太陽電池パネルの幅広で反射性の「翼」が備えられています。ISS には 2 つの太陽電池アレイ翼 (SAW) があり、それぞれに約 33,000 個の太陽電池が使用されています。これらの太陽電池は ISS にすべての電力を供給するため、宇宙飛行士はステーションを操作し、一度に何か月も宇宙で安全に生活し、科学実験や工学実験を行うことができます。

太陽光発電所は世界中で建設されています。最大のステーションは米国、インド、中国にあります。これらの発電所は数百メガワットの電力を排出し、家庭、企業、学校、病院に供給するために使用されます。

太陽光発電技術は小規模でも設置できます。ソーラーパネルとセルは建物の屋根や外壁に固定でき、建物に電力を供給します。道路から軽い高速道路まで設置できます。太陽電池は、計算機、パーキングメーター、ゴミ圧縮機、給水ポンプなどのさらに小型のデバイスに電力を供給できるほど小さいです。

集中した太陽エネルギー

別のタイプのアクティブソーラー技術は、集中太陽エネルギーまたは集中太陽光発電（CSP）です。CSP テクノロジーは、レンズとミラーを使用して、広いエリアからの太陽光をはるかに狭いエリアに集束 (集中) させます。この強い放射領域によって流体が加熱され、その結果、電気が生成されたり、別のプロセスに燃料が供給されたりします。

太陽炉は、集中太陽光発電の一例です。太陽炉には、太陽光発電塔、パラボラトラフ、フレネル反射板など、さまざまな種類があります。これらは同じ一般的な方法を使用してエネルギーを捕捉し、変換します。

太陽光発電塔はヘリオスタット、つまり空を通る太陽の弧を追うように回転する平面鏡を使用します。鏡は中央の「コレクタータワー」の周りに配置されており、太陽光を反射して集中した光線にし、タワー上の焦点を照らします。

これまでの太陽光発電タワーの設計では、集中した太陽光が水の入った容器を加熱し、蒸気を生成してタービンに動力を供給していました。最近では、一部の太陽光発電塔では、熱容量が高く、熱を長期間保持できる液体ナトリウムが使用されています。これは、流体が 773 ～ 1,273 K (500 ～ 1,000 °C、または 932 ～ 1,832 °F) の温度に達するだけでなく、太陽が輝いていないときでも水を沸騰させ続けて発電できることを意味します。

パラボラ トラフとフレネル リフレクタも CSP を使用しますが、ミラーの形状が異なります。放物面鏡は湾曲しており、鞍のような形をしています。フレネル反射板は、平らで薄いミラーのストリップを使用して太陽光を捉え、それを液体のチューブに向けます。フレネル反射板は放物線状のトラフよりも表面積が広く、太陽のエネルギーを通常の強度の約 30 倍に集中させることができます。

集光型太陽光発電所は 1980 年代に初めて開発されました。世界最大の施設は、米国カリフォルニア州のモハーベ砂漠にある一連の工場である。この太陽エネルギー発電システム (SEGS) は、年間 650 ギガワット時を超える電力を生成します。他にも大規模で効果的なプラントがスペインとインドで開発されています。

集光型太陽光発電は小規模でも利用できます。たとえば、ソーラークッカー用の熱を生成できます。世界中の村の人々は、衛生用の水を沸騰させたり、食べ物を調理したりするためにソーラークッカーを使用しています。

ソーラークッカーには薪ストーブに比べて多くの利点があります。火災の危険がなく、煙も発生せず、燃料も必要とせず、燃料として木が伐採される森林での生息地の損失を軽減します。また、ソーラークッカーを使用することで、村民はこれまで薪集めに費やしていた時間を、教育、ビジネス、健康、家族の時間を確保できるようになります。ソーラークッカーは、チャド、イスラエル、インド、ペルーなど、さまざまな地域で使用されています。

太陽光発電の建築

太陽エネルギーは、1 日を通して、熱対流、つまり暖かい空間から冷たい空間への熱の移動のプロセスの一部です。太陽が昇ると、地球上の物体や物質が暖められ始めます。一日中、これらの材料は太陽放射からの熱を吸収します。夜、太陽が沈み、大気が冷えると、材料は熱を大気中に放出します。

パッシブ太陽エネルギー技術は、この自然な加熱と冷却のプロセスを利用します。

住宅やその他の建物は、受動的な太陽エネルギーを使用して、効率的かつ安価に熱を分配します。建物の「熱質量」の計算はその一例です。建物の熱質量は、1 日を通して加熱される材料の大部分です。建物の熱質量の例としては、木材、金属、コンクリート、粘土、石、泥などがあります。夜になると、熱質量はその熱を室内に放出します。効果的な換気システム (廊下、窓、エアダクト) が暖められた空気を分散させ、室内温度を適度で一定に保ちます。

パッシブソーラー技術は、多くの場合、建物の設計に関与します。たとえば、建設の計画段階で、エンジニアや建築家は、望ましい量の太陽光を受け取るために、建物を太陽の日常の経路に合わせることもあります。この方法では、特定の地域の緯度、高度、典型的な雲量が考慮されます。さらに、建物は、断熱、熱質量、または追加の日よけを備えたように建設または改修することができます。

パッシブソーラー建築の他の例としては、クールルーフ、輻射障壁、緑化屋根などがあります。涼しい屋根は白く塗装されており、太陽光を吸収するのではなく反射します。白い表面は建物の内部に到達する熱の量を減らし、結果として建物を冷却するために必要なエネルギーの量を減らします。

放射バリアは、冷たい屋根と同様に機能します。アルミ箔などの反射性の高い素材で絶縁を実現します。フォイルは熱を吸収するのではなく反射するため、冷却コストを最大 10% 削減できます。屋根や屋根裏部屋に加えて、床下にも放射障壁が設置される場合があります。

屋上緑化とは、屋根全体を植物で覆ったものです。植物を支えるための土壌と灌漑、そしてその下の防水層が必要です。屋根の緑化は、熱の吸収または損失の量を減らすだけでなく、植生も提供します。屋上緑化された植物は光合成により二酸化炭素を吸収し、酸素を放出します。これらは雨水と空気から汚染物質を濾過し、その空間でのエネルギー使用の影響の一部を相殺します。

緑の屋根はスカンジナビアでは何世紀にもわたる伝統であり、最近ではオーストラリア、西ヨーロッパ、カナダ、米国でも人気が高まっています。たとえば、フォード モーター カンパニーは、ミシガン州ディアボーンにある組立工場の屋根の 42,000 平方メートル (450,000 平方フィート) を植物で覆いました。温室効果ガスの排出量を削減することに加えて、屋根は数センチメートルの降雨を吸収することで雨水の流出を減らします。

緑化された屋根と涼しい屋根は、「都市のヒートアイランド」効果を打ち消すこともできます。混雑した都市では、周囲の地域よりも気温が常に高くなることがあります。これには多くの要因が寄与しています。都市はアスファルトやコンクリートなどの熱を吸収する材料で構成されています。高層ビルは風とその冷却効果を遮断します。そして産業、交通、人口の多さによって大量の廃熱が発生します。屋根上の利用可能なスペースを利用して木を植えたり、白い屋根で熱を反射したりすると、都市部の局所的な気温上昇を部分的に緩和できます。

太陽エネルギーと人々

世界のほとんどの地域では、太陽光は 1 日の約半分しか当たらないため、太陽エネルギー技術には、暗い時間帯にエネルギーを蓄える方法が組み込まれている必要があります。

熱質量システムは、パラフィンワックスまたはさまざまな形の塩を使用して、エネルギーを熱の形で蓄えます。太陽光発電システムは、余剰電力を地域の電力網に送ったり、充電式バッテリーにエネルギーを蓄えたりすることができます。

太陽エネルギーの利用には多くのメリットとデメリットがあります。

利点
太陽エネルギーを使用する主な利点は、それが再生可能な資源であることです。私たちは今後 50 億年間、安定的かつ無制限に太陽光を供給できるでしょう。1 時間で、地球の大気は、地球上のすべての人類が 1 年間必要とする電力を賄うのに十分な太陽光を受け取ります。

太陽エネルギーはクリーンです。太陽光発電技術機器が構築され、設置された後は、太陽エネルギーを利用するために燃料は必要ありません。また、温室効果ガスや有毒物質も排出しません。太陽エネルギーを利用すると、環境への影響を大幅に減らすことができます。

太陽エネルギーが実用化されている場所があります。太陽光が多く、雲量が少ない地域の家や建物には、太陽の豊富なエネルギーを利用する機会があります。

ソーラークッカーは、20億人が今も依存している薪ストーブでの調理に代わる優れた代替品です。ソーラークッカーは、水を消毒し、食品を調理するためのよりクリーンで安全な方法を提供します。

太陽エネルギーは、風力や水力発電などの他の再生可能エネルギー源を補完します。

太陽光パネルの設置に成功した家庭や企業は、実際に余剰電力を生産することができます。これらの住宅所有者や事業主は、電力会社にエネルギーを売り戻すことができ、電気料金を削減、または不要にすることができます。

短所
太陽エネルギーの使用を妨げる主な要因は、必要な機器です。太陽光発電技術の機器は高価です。機器の購入と設置には、個人の家庭で数万ドルの費用がかかる場合があります。政府は太陽エネルギーを利用する人々や企業に減税を行うことが多く、この技術により電気代も削減できるが、多くの人にとって初期費用が高すぎて検討できない。

太陽光発電設備も重いです。建物の屋根に太陽光パネルを改修または設置するには、屋根が強くて大きく、太陽の通り道を向いていなければなりません。

アクティブソーラー技術とパッシブソーラー技術はどちらも、気候や雲量など、私たちが制御できない要因に依存します。太陽光発電がその地域で有効かどうかを判断するには、地域を調査する必要があります。

太陽エネルギーが効率的な選択肢となるには、太陽光が豊富で安定している必要があります。地球上のほとんどの場所では、太陽光は変動するため、唯一のエネルギー源として導入することが困難です。