研究背景
私が暮らしていく中で電気エネルギーは必要不可欠なものです。
そんな電気エネルギーの発電方法には現在以下のようなものがあります。
・水力発電
・火力発電
・原子力発電
・太陽光発電
・風力発電
・バイオマス発電
・地熱発電
この７種類が今主に行われている発電です。
そして現在注目されているのは再生可能エネルギーです。
その理由として、
東日本大震災による電力危機
東日本大震災では、地震と津波により多くの電力設備が被害を受けたことや福島第一原子力発電所事故後に日本国内の原子力発電所が安全審査のため停止していることなどによりそれに伴う電力供給低下が起こっています。
国際的な取り組みの活発化
2015年に温室効果ガス排出削減等のための国際枠組みとしてパリ協定が採択されたこと、さらに各国によるカーボンニュートラル宣言など、国際的な取り組みが強まったことにより我が国でも、2050年のカーボンニュートラル(温室効果ガス排出を実質ゼロ)を宣言し、現在では、これが目標となっています。
エネルギーに対しての制度改革
再生可能エネルギーの固定価格買取制度は2009年に太陽光発電の余剰電力の買取を開始、2012年には全量買取が開始されたことにより、大規模な太陽光発電や風力発電の導入が加速化されました。さらに当初導入された設備の買取期間満了に向けて、一括売電ではなく地域内で有効に利用する検討も始まっています。
また、2016年に低圧電力の小売自由化が開始され、地域新電力会社が再生可能エネルギーを活用して、地域活性化と脱炭素化を目指す事例が増えています。
他にも、2012年まだそれほど普及していなかった再エネの導入をうながすために、「FIT制度」がもうけられました。これは、再エネ発電をおこなう事業者を増やし、再エネの導入を拡大することを目的に、再エネ設備から発電された電気（再エネ電気）をあらかじめ決められた価格で買い取るよう、電力会社に義務付けた制度です。こうした支援のもとで、再エネは急速に拡大しました。
私たちはこのような背景を知り再生可能エネルギーをもっと利用できないかと考え、最近最も身近に感じるようになった太陽光発電の研究をすることに決めました。
仮説と狙い
太陽光発電の効率
太陽光発電の高効率化を目指すために以下の仮説を立てました。
・温度によって効率が悪くなってしまう
半導体シリコンが熱に弱いことや熱による経年劣化
・太陽の日照条件により発電量が変わってしまう
雲や天候、季節など気象状況に左右される
・電圧上昇抑制による発電効率の低下
パワーコンディショナーで発電が制御されてしまっている
この中でまず温度による効率の変化を少なくし高効率化を目指します。
研究内容
まず太陽光パネルが熱によってどれだけ効率が下がったかを調べる。
使用機器
供給源の光として使うもの
・太陽光
・ハロゲン電球
太陽光パネル
形式名 SM-500H
定格 最大出力Pmax 5[w] 最大出力動作電圧Vpm 17.5[v] 最大出力動作電流Ipm 0.29[A]
解放電圧Voc 21.5[v] 短絡電流Isc 0.32[A]
赤外線サーモグラフィ
可変抵抗
定格 560[Ω] 0.8[A]
マルチメーター
定格 100[V] 50/60[Hz] 21[VA]
温度を上げないようにするために
・水流によって熱を冷ます
これをするためには太陽光パネルが防水でなければならない
・ペルチェ素子を使って熱を利用し発電する
ペルチェ素子と呼ばれる熱電変換素子を利用し発電する
・ヒートシンクを使用する
ヒートシンクを使い熱を吸収して放熱する
技術的知識
太陽光発電とは
太陽光発電は光エネルギーを電気に変換する太陽電池を用いて直接的に電力に変換する発電方式
メリット
・エネルギー源が無限にある
・CO₂を排出しない
・システムが単純で保守が容易である
・非常用電源として利用できる
デメリット
・自然条件に左右される
・電力変換効率が低い
・広大な面積を必要とする
・太陽光パネル大量廃棄による環境汚染
太陽電池の構造
p型半導体とn型半導体を接合して電極を設ける。pn接合面に光が照射されることにより正孔と電子が分離し電子はn型半導体を通って－電極に集まり、正孔はp型半導体を通って＋電極に集まる。このとき、電極間に負荷が接続されていると電流が流れ電気エネルギーが負荷に供給される。
太陽電池の種類
・シリコン系
結晶系
単結晶シリコン
多結晶シリコン
微結晶シリコン
薄膜系
アモルファス
多接合
・化合物系
多元系
CI(G)S系
Ⅲ-Ⅴ族
GaAs系
Ⅱ-Ⅵ族
CdTe系
・有機系
色素感染
有機薄膜
現在、流通している主な太陽電池はシリコン系と化合物半導体系でありその多くがシリコン電池である。有機薄膜や色素増感の太陽電池も研究が進められており実用化が期待されている。
今回使った多結晶シリコンについて
太陽光が理想的な場合変換効率は20%程度で単結晶に比べて安価である。
太陽光発電の設備
・太陽電池アレイ
太陽電池の基本単位はセルとよばれ、1V前後の電圧が発生する。これを直並列に接続して電圧と出力を高めたものがモジュールである。モジュールをさらに直並列接続して配列したものがアレイである。一般住宅で必要な発電量を4[kW]とすると、モジュール1枚の発電量が100~200[W]の場合、20~40枚設置する必要がある。
・接続箱
逆流防止ダイオードと避雷器で構成される。
逆流防止ダイオードは、太陽電池に逆流電流が流れ込まないようにするもので、避雷器は落雷などの以上電圧を大地に放電し、回路を保護するものである。
・パワーコンディショナ
インバータ及び保護回路から構成される。
インバータは太陽光電池で発電した直流を交流に変換する装置で、保護回路は電圧や周波数を一定に制御し過電圧や異常周波数が発生した場合、インバータ回路を遮断する働きをする。
また商用電力との連係保護装置も内蔵している。
・分電盤
発電電力を家庭内の負荷に供給する装置である。
余剰電力が発生した場合は電気事業者に売電し、逆に太陽電池の発電量だけでは不足する場合買電するなどの切り替えができ、商用電力系統との連携点になる。
余剰電力が発生した場合は電気事業者に売電し、逆に太陽電池の発電量だけでは不足する場合買電するなどの切り替えができ、商用電力系統との連携点になる。
これからの取り組み
ペルチェ素子の利用
ペルチェ素子を使いゼーベック電池を作る。
ゼーベック電池を熱によって充電させる。
どのようなペルチェ素子を利用すれば効率が上がるかを検討する。
水流の利用
水流を利用する