ソーラーパネル：価格、仕様、太陽エネルギーについて知っておくべきこと

ヤンナ/iStock

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世界が化石燃料への依存を減らし、より持続可能なエネルギー形態に移行しようと努めている中、太陽エネルギーは誰もが活用したいと考えているものです。 恒久的なエネルギー源である太陽光は、世界のほとんどの地域で 1 日のうちかなりの時間にわたって利用できます。

ただし、このエネルギーを収集するには特殊な装置が必要であり、ソーラーパネルが最も一般的に使用される方法です。 それらがどのように機能するのか、何から作られているのか、またはどれくらいのエネルギーを生成できるのかがわからない場合は、ここで開始するための基本ガイドを参照してください。

ソーラーパネルは光を電気に変換する装置です。 それらはソーラーパネルと呼ばれます。なぜなら、ほとんどの場合、太陽からの光、つまり天文学者が好んで呼ぶソルが、最も豊富な光の形態であり、簡単にアクセスできるからです。

ソーラーパネルは、シリコンセルの特定の層、周囲に特殊なフィルムが張られたガラスケース内の金属フレーム、およびコンポーネントを相互に接続してアレイを形成する接続で構成されています。 パネル内の小さなユニットは太陽電池または光電池と呼ばれ、それぞれ光を電気に変換できます。

太陽電池をパネル上に配置すると、その領域に入射する光をより多く収集して電気に変換できます。 宇宙船の電力需要を満たすように設計された大型のソーラーパネルを搭載した宇宙船をよく見かけるのはこのためです。

ソーラーパネルは今日では一般的かもしれませんが、その歴史は100年以上遡ることができます。 これ以前は、太陽からのエネルギーを利用して水を加熱し、蒸気に変えて機械を動かしていました。

しかし、フランスの科学者エドモンド・ベクレルは、光起電力効果（光にさらされた物質内での電圧と電流の発生）を観察しました。 彼は、電解槽を使った実験を通じて、塩化銀または臭化銀でコーティングされた 2 つの白金電極の間を流れる電気は、暗闇よりも日光の方がわずかに強いことを確立しました。 19歳という若さで、光を電気に変換できる最初の太陽電池を作成しました。

1883 年、チャールズ フリッツは半導体セレンを使用し、極薄い金の層でコーティングした最初の太陽電池を作成しました。 フリッツ氏のパネルはニューヨークの屋上にも設置されたが、コストが高く、エネルギー変換効率が 1% だったため、長期的には実現不可能となった。

ラッセル・オールはシリコンで作られた太陽電池の特許を初めて取得し、シリコン電池を使用した最初の太陽電池パネルは 1954 年に作成されました。これらのパネルは主に宇宙船用の電力を生成することを目的としていましたが、1970 年代までには電卓にも応用されるようになりました。

ソーラーパネルは、接続された多数の太陽電池アレイで構成されます。 太陽電池は通常、酸素に次いで地球上で 2 番目に豊富な材料であるシリコンから作られています。 シリコンは半導体であるため、絶縁体としても導体としても機能します。

太陽電池内部では、シリコンは 2 つの異なる層に配置されています。1 つは電子を受け取ることができる P 型、もう 1 つは電子を与えることができる N 型です。 p 型シリコンは、シリコンよりも外側のエネルギー準位に電子が 1 つ少ない原子 (ホウ素やガリウムなど) を追加して空孔を作ることによって生成されます。 n 型シリコンは、シリコンよりも外側準位に電子が 1 つ多いリンなどの原子を含むことによって作られます。

N 型層は太陽光に面するように配置され、P 型層は N 型層の下に配置されます。

アンソニー・フェルナンデス/ACS

太陽からの光は、フォトンと呼ばれる小さなエネルギーのパケットで届き、N 型層で電子を失う可能性があります。 これらは、バックシートとも呼ばれる、その下のアルミニウム層に集められます。 電子が前後に流れると電流が発生し、その電流が配線を通って太陽電池から蓄電装置に流れ込みます。

ソーラーパネルの効率は、その表面に入射する光から生成できる電気の量です。 ソーラーパネルの効率は、温度が摂氏 25 度、放射照度が 1000 W/平方メートルである標準テスト条件 (STC) の下で測定されます。 これは、明るい晴れた日に傾いたソーラーパネルが受け取る太陽光に相当します。 効率が 20% ということは、1 平方メートルのソーラー パネルが 200 ワットの電力を生成することを意味します。

現実の世界では、条件は風、湿度、紫外線、化学物質への曝露などの多くの要因の影響を受け、パネルの実際の効率は STC 中に得られる効率よりも低くなります。 太陽電池の製造に使用される材料はエネルギー変換効率も高めることができ、単結晶ソーラーパネルは市販のパネルの中で最高の効率を実現します。

ビジネスの舞台裏では、科学者たちはソーラーパネルの効率向上に努めており、最近では太陽光発電効率の30パーセントの壁を突破することに成功しています。 これは、ペロブスカイト、チタン酸カルシウム結晶、または太陽電池の効率を高めるために使用できる同様の構造配置と特性を備えた材料を使用することで可能になりました。

ソーラーパネルを使用する最も大きな利点は、無制限で無公害の再生可能エネルギー源を利用できることです。 私たちが毎日地球上に降り注ぐエネルギーを収集する方法を改善することで、将来のあらゆるニーズに対応できるクリーンなエネルギー源に移行できるようになります。

途切れることなく供給を受けるためにグリッドに接続する必要がある従来の電源とは異なり、ソーラーパネルはバッテリーを使用することで、遠く離れた場所にいてもエネルギーに簡単にアクセスできる自由を与えてくれます。 科学者たちが核エネルギーに頼らず、火星やさらにはそれを超えた宇宙船の動力源として太陽エネルギーを利用したことは驚くべきことではありません。

ソーラーパネルは一度設置すると寿命が長く、メンテナンスはほとんど必要ありません。 最高のエネルギー変換効率を得るにはソーラーパネルを清潔に保つ必要がありますが、エネルギー生成プロセスには可動部品がないため、それ以外のメンテナンスは必要ありません。 エネルギー貯蔵端にはメンテナンスが必要ですが、システムは通常、長年の使用で十分な元が取れます。

多くの場所のユーザーは、パネルによって生成された余剰エネルギーを電力会社に販売し、設置が完了したら実質的に何もせずにお金を稼ぐこともできます。

ただし、太陽エネルギーを収集するのは簡単ではありません。 太陽光発電のコストはここ数年で大幅に削減されましたが、特に小規模な場合、太陽光パネルの設置にかかる初期費用は依然としてかなり高額です。 パネルの購入とは別に、インバーターとエネルギー貯蔵ソリューションも購入する必要がありますが、これはかなり高価になる可能性があります。

太陽エネルギーの収集は気象条件にも大きく依存します。 パネルは曇りの条件下でも動作しますが、数日間の雨や雪の天候はエネルギー貯蔵に影響を与える可能性があります。 冬に夜間にお湯を沸かす必要がある人にとって、ソーラーパネルではニーズを満たせない可能性があります。

従来、ソーラーパネルは多くのスペースを占有し、家の大きさやエネルギー需要によっては、ソーラーパネルを設置できる追加のスペースを確保する必要がある場合があります。 家庭用ソーラーパネルの効率は、屋根の種類と屋根が向いている方向によっても異なります。 技術の進歩により、透明なソーラーウィンドウを購入できるようになるかもしれません。 しかし、今何かを購入したい場合、これらは期待されるエネルギー変換効率を提供しない可能性があります。

太陽光発電所を作るためにソーラーパネルを大量に設置すると、土壌の圧縮と浸食の増加が引き起こされます。 ソーラーパネルは耐用年数を経て、リサイクル経済への道がまだ確立されておらず、埋め立て地に投棄すると鉛やカドミウムなどの重金属が土壌に浸出する可能性があるため、懸念されるようになっている。

太陽エネルギー分野のイノベーションは新たな展開を迎えており、より優れた、より安価なソーラーパネルを作るために新しい材料が使用されています。 ソーラーパネルは、将来私たちがエネルギーにアクセスする方法に大きな影響を与えることになります。