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太陽エネルギーは、太陽の光と熱からの放射エネルギーであり、太陽光発電、太陽熱エネルギー（太陽熱温水器を含む）、ソーラー建築などのさまざまな技術を使用して利用できます。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]これは重要な再生可能エネルギー源であり、その技術は、太陽エネルギーをどのように捕捉して分配するか、またはそれを太陽光発電に変換するかに応じて、パッシブソーラーまたはアクティブソーラーに大別されます。アクティブソーラー技術には、エネルギーを利用するために太陽光発電システム、集光型太陽光発電、太陽熱温水器の使用が含まれます。パッシブソーラー技術には、より良い自然光を取り入れるように建物を設計すること、好ましい熱容量または光分散特性を持つ材料を選択すること、自然に空気が循環する空間を構成することが含まれます。
2011年、国際エネルギー機関は、「手頃な価格で枯渇しないクリーンな太陽エネルギー技術の開発は、長期的に大きな利益をもたらすだろう。それは、自国の、枯渇しない、ほとんど輸入に依存しない資源への依存を通じて各国のエネルギー安全保障を高め、持続可能性を高め、汚染を減らし、地球温暖化の緩和コストを下げるだろう…これらの利点は世界的なものである」と述べた。[ 1 ] [ 4 ]
地球の上層大気には、174ペタワット（PW）の入射太陽放射（日射量）が降り注ぎます。[ 6 ]約30%は宇宙に反射され、残りの122 PWは雲、海洋、陸地に吸収されます。地球表面の太陽光スペクトルは、主に可視光線と近赤外線領域に広がり、近紫外線領域にはわずかな部分があります。[ 7 ]世界の人口の大部分は、150～300ワット/m2、または1日あたり3.5～7.0 kWh/m2の日射量レベルの地域に住んでいます。[ 8 ]
太陽放射は地球の陸地表面、地球の約71%を覆う海洋、そして大気によって吸収されます。海洋から蒸発した水を含む暖かい空気は上昇し、大気循環または対流を引き起こします。空気が温度の低い高高度に達すると、水蒸気が凝結して雲になり、それが地球の表面に雨を降らせ、水循環が完了します。水の凝結潜熱は対流を増幅し、風、サイクロン、高気圧などの大気現象を引き起こします。[ 9 ]海洋と陸塊によって吸収された太陽光は、地表の平均温度を14 ℃に保ちます。[ 10 ]緑色植物は光合成によって太陽エネルギーを化学的に蓄えられたエネルギーに変換し、それが食料、木材、そして化石燃料の原料となるバイオマスを生産します。[ 11 ]
地球の大気、海洋、陸塊が吸収する太陽エネルギーの総量は、年間約 122 PW・年 = 3,850,000エクサジュール(EJ) です。 [ 12 ] 2002 年 (2019 年) には、これは 1 時間 (1 時間 25 分) で消費されるエネルギーが、世界が 1 年間に使用するエネルギーよりも多いものでした。[ 13 ] [ 14 ]光合成は、バイオマスに年間約 3,000 EJ を取り込みます。 [ 15 ]
人間が利用できる太陽エネルギーの潜在量は、地球の表面付近に存在する太陽エネルギーの量とは異なります。これは、地理、時間的変動、雲量、人間が利用できる土地などの要因によって、人間が取得できる太陽エネルギーの量が制限されるためです。2021年、カーボン・トラッカー・イニシアチブは、すべてのエネルギーを太陽光だけで生成するために必要な土地面積を45万km2と推定しました。これは、スウェーデンの面積、モロッコの面積、またはカリフォルニア州の面積とほぼ同じです（地球の総陸地面積の0.3%）。[ 20 ]
太陽光発電技術は、太陽光の捕捉、変換、分配の方法に応じて、受動型と能動型に分類され、世界各地でさまざまなレベルで太陽エネルギーを利用できるようになります。これは主に赤道からの距離によって決まります。太陽エネルギーとは主に実用的な目的で太陽放射を利用することを指しますが、地熱発電と潮力発電を除くすべての再生可能エネルギーは、直接的または間接的に太陽から得られます。
アクティブソーラー技術は、太陽光発電、集光型太陽光発電、太陽熱コレクター、ポンプ、ファンを使用して太陽光を有効な出力に変換します。パッシブソーラー技術には、熱特性に優れた材料の選択、空気を自然に循環させる空間の設計、建物の位置を太陽に合わせることなどが含まれます。アクティブソーラー技術はエネルギー供給を増加させ、供給側技術とみなされますが、パッシブソーラー技術は代替資源の必要性を減らし、一般的に需要側技術とみなされます。[ 21 ]
2000年、国連開発計画、国連経済社会局、世界エネルギー会議は、人類が毎年利用できる太陽エネルギーの潜在量に関する推定値を発表しました。これは、日射量、雲量、人間が利用できる土地などの要素を考慮に入れたものです。太陽エネルギーの世界的潜在量は年間1,600 ～49,800エクサジュール（4.4 × 10¹⁴ ～1.4 × 10¹⁶ kWh ）であると述べられています（下の表を参照）。[ 22 ]
太陽熱技術は、給湯、暖房、冷房、プロセス熱の発生に利用できます。[ 23 ]
1878年、パリ万国博覧会において、オーギュスタン・ムショーは太陽熱蒸気機関の実演に成功したが、安価な石炭の入手困難などの要因により、開発を継続することができなかった。
1897年、アメリカの発明家、エンジニア、太陽エネルギーのパイオニアであるフランク・シューマンは、エーテルで満たされた四角い箱に太陽エネルギーを反射させることで作動する小型の太陽エンジンのデモンストレーションを製作しました。エーテルは水よりも沸点が低く、箱の内部には黒いパイプが取り付けられており、それが蒸気エンジンの動力源となっていました。1908年、シューマンはより大規模な太陽発電所を建設する目的でサン・パワー社を設立しました。彼は技術顧問のASEアッカーマンとイギリスの物理学者チャールズ・ヴァーノン・ボーイズ卿とともに[ 24 ]、鏡を使って太陽エネルギーを集熱ボックスに反射させる改良システムを開発し、加熱能力を向上させ、エーテルの代わりに水を使用できるようになりました。その後、シューマンは低圧水で動く実物大の蒸気エンジンを製作し、1912年までに太陽エンジンシステム全体の特許を取得しました。
シューマンは1912年から1913年にかけて、エジプトのマーディに世界初の太陽熱発電所を建設した。彼の発電所は放物面トラフを用いて45～52キロワット（60～70馬力）のエンジンを駆動し、ナイル川から隣接する綿畑へ毎分22,000リットル（4,800英ガロン、5,800米ガロン）以上の水を汲み上げた。第一次世界大戦の勃発と1930年代の安価な石油の発見により太陽エネルギーの発展は阻害されたものの、シューマンの構想と基本設計は1970年代に太陽熱エネルギーへの新たな関心の高まりとともに復活した。[ 25 ] 1916年、シューマンはメディアで太陽エネルギーの利用を提唱し、次のように述べている。
私たちは熱帯地域における太陽光発電の商業的利益を証明し、さらに具体的には、石油と石炭の資源が枯渇した後も、人類は太陽光線から無限のエネルギーを得ることができることを証明しました。
—フランク・シューマン、ニューヨーク・タイムズ、1916年7月2日[ 26 ]
太陽熱温水システムは、太陽光を利用して水を加熱します。中緯度地域（ 北緯40度から 南緯40度の間）では、家庭用温水使用量の60～70%を太陽熱温水システムで賄うことができ、水温は最高60 ℃（140 °F）に達します。[ 27 ]最も一般的な太陽熱温水器の種類は、家庭用温水に一般的に使用される真空管式集熱器（44%）とガラス張りの平板式集熱器（34%）、そして主にプールの加熱に使用されるガラス張りでないプラスチック製集熱器（21%）です。[ 28 ]
2015年時点で、太陽熱温水システムの総設置容量は約436熱ギガワット（GW th）であり、中国は309 GW thを設置し、市場の71%を占め、その導入において世界をリードしている。[ 29 ]イスラエルとキプロスは、太陽熱温水システムの使用において一人当たりでトップであり、90%以上の家庭が使用している。[ 30 ]米国、カナダ、オーストラリアでは、プールの加熱が太陽熱温水の主な用途であり、2005年時点で18 GW thの設置容量がある。 [ 21 ]
米国では、暖房、換気、空調(HVAC) システムが商業ビルで使用されるエネルギーの30% (4.65 EJ/年)と住宅ビルで使用されるエネルギーのほぼ 50% (10.1 EJ/年)を占めています。[ 31 ] [ 32 ]太陽熱暖房、冷房、換気技術は、このエネルギーの一部を相殺するために使用できます。太陽熱暖房の使用は、太陽追尾や太陽集光光学系などの能動要素が使用されるかどうかに応じて、受動太陽熱コンセプトと能動太陽熱コンセプトに大別できます。
蓄熱材とは、熱を蓄えることができるあらゆる材料のことです。太陽エネルギーの場合は、太陽からの熱を蓄えます。一般的な蓄熱材には、石、セメント、水などがあります。歴史的に、これらは乾燥地帯や温暖な地域で、日中に太陽エネルギーを吸収し、蓄えた熱を夜間に冷たい大気に放射することで建物を涼しく保つために使用されてきました。しかし、寒冷な地域で暖かさを保つためにも使用できます。蓄熱材のサイズと配置は、気候、自然光、日陰の状態など、いくつかの要因によって決まります。適切に組み込まれた蓄熱材は、室内の温度を快適な範囲に保ち、補助的な暖房および冷房機器の必要性を減らします。[ 33 ]
ソーラーチムニー（またはこの文脈ではサーマルチムニー）は、建物の内部と外部をつなぐ垂直のシャフトで構成される受動的な太陽熱換気システムです。チムニーが温まると、内部の空気が加熱され、上昇気流が発生して建物全体に空気が引き込まれます。温室を模倣した方法でガラスや蓄熱材[ 34 ]を使用することで、性能を向上させることができます。
落葉樹や落葉植物は、太陽熱による暖房や冷房を制御する手段として推奨されてきました。北半球では建物の南側、南半球では北側に植えると、夏の間は葉が日陰を作り、冬には葉のない枝が光を通します。[ 35 ]葉のない裸の木は入射する太陽放射の 1/3 から 1/2 を遮るため、夏の遮光の利点とそれに伴う冬の暖房の損失とのバランスが取れています。[ 36 ]暖房負荷が大きい気候では、落葉樹は冬の太陽光の利用を妨げるため、建物の赤道側に植えるべきではありません。ただし、東側と西側に植えることで、冬の太陽熱取得に大きな影響を与えることなく、ある程度の夏の遮光を提供できます。[ 37 ]
ソーラークッカーは、調理、乾燥、低温殺菌に太陽光を利用します。これらは大きく分けて、ボックスクッカー、パネルクッカー、反射クッカーの3つのカテゴリーに分類できます。[ 38 ]最もシンプルなソーラークッカーは、1767年にホレス・ド・ソシュールが最初に作ったボックスクッカーです。 [ 39 ]基本的なボックスクッカーは、透明な蓋が付いた断熱容器で構成されています。部分的に曇った空でも効果的に使用でき、通常90～150 ℃（194～302 °F）の温度に達します。[ 40 ]パネルクッカーは、反射パネルを使用して太陽光を断熱容器に導き、ボックスクッカーと同程度の温度に達します。反射クッカーは、さまざまな集光形状（皿、トラフ、フレネルミラー）を使用して、調理容器に光を集中させます。これらのクッカーは315 ℃（599 °F）以上の温度に達しますが、適切に機能するには直射日光が必要であり、太陽を追尾するために位置を調整する必要があります。 [ 41 ]
パラボラディッシュ、トラフ、シェフラー反射鏡などの太陽集光技術は、商業および産業用途のプロセス熱を提供できます。最初の商業システムは、米国ジョージア州シェナンドーのソーラートータルエネルギープロジェクト（STEP）で、114 枚のパラボラディッシュのフィールドが衣料工場のプロセス加熱、空調、電力需要の 50% を提供しました。このグリッド接続されたコジェネレーションシステムは、400 kW の電力に加えて、401 kW の蒸気と 468 kW の冷水 の形で熱エネルギーを提供し、1 時間ピーク負荷の蓄熱機能を備えていました。[ 42 ]蒸発池は、蒸発によって溶解固形物を濃縮する浅い池です。海水から塩を得るために蒸発池を使用することは、太陽エネルギーの最も古い用途の 1 つです。現代の用途には、浸出採掘で使用される塩水溶液の濃縮や、廃水流からの溶解固形物の除去などがあります。[ 43 ]
物干しロープ、物干し台、物干しラックは、電気やガスを消費することなく、風と日光による蒸発で衣類を乾燥させます。米国の一部の州では、法律で衣類を「乾燥させる権利」が保護されています。[ 44 ]ガラスなしの透過型集熱器（UTC）は、換気空気を予熱するために使用される、太陽光に面した穴の開いた壁です。UTCは、流入空気の温度を最大22 ℃（40 °F）まで上げ、出口温度を45～60 ℃（113～140 °F）まで供給できます。[ 45 ]透過型集熱器の投資回収期間が短い（3～12年）ため、ガラス付き集熱システムよりも費用対効果の高い代替手段となります。[ 45 ] 2003年時点で、合計集熱面積35,000平方メートル（380,000平方フィート）の80を超えるシステムが世界中に設置されており、その中にはコーヒー豆の乾燥に使用されるコスタリカの860平方メートル（9,300平方フィート）の集熱器や、マリーゴールドの乾燥に使用されるインドのコインバトールの1,300平方メートル（14,000平方フィート）の集熱器も含まれている。[ 46 ]
太陽熱蒸留は、塩水や汽水を飲用水にするために使用できます。この最初の記録は、16 世紀のアラブの錬金術師によるものです。[ 47 ]大規模な太陽熱蒸留プロジェクトは、1872 年にチリの鉱山町ラス サリナスで初めて建設されました。[ 48 ]太陽集光面積が4,700 m 2 (51,000平方フィート)のこのプラントは、 1 日あたり最大22,700 L (5,000英ガロン、6,000米ガロン)を生産でき、40年間稼働することができました。[ 48 ]個々の蒸留器の設計には、シングル スロープ、ダブル スロープ (または温室型)、垂直、円錐形、逆吸収器、マルチ ウィック、および多重効果があります。これらの蒸留器は、受動的、能動的、またはハイブリッド モードで動作できます。二重傾斜蒸留器は分散型の家庭用用途に最も経済的である一方、アクティブ多段式蒸留器は大規模な用途により適している。[ 47 ]
太陽光水消毒（SODIS）は、水を入れたポリエチレンテレフタレート（PET）製のプラスチックボトルを数時間日光にさらす方法です。[ 49 ]日光にさらす時間は、天候や気候によって異なり、最低6時間から曇天時の2日間まで様々です。[ 50 ]世界保健機関は、家庭用水の処理と安全な保管のための実行可能な方法としてこれを推奨しています。 [ 51 ]発展途上国では200万人以上が、この方法で毎日の飲料水を得ています。[ 50 ]
太陽エネルギーは、化学薬品や電気を使わずに廃水を処理するために、水安定化池で使用できる。さらに環境面での利点は、このような池では藻類が繁殖し、光合成で二酸化炭素を消費することである。ただし、藻類は水を使用できなくする有毒な化学物質を生成する可能性がある。[ 52 ] [ 53 ]
溶融塩は、集光型太陽熱発電所のソーラータワーやソーラートラフで集めた熱エネルギーを蓄えるための熱エネルギー貯蔵方法として利用でき、悪天候時や夜間に発電に利用できます。これは、 1995年から1999年にかけて実施されたSolar Twoプロジェクトで実証されました。このシステムの年間効率は99%と予測されています。これは、熱を直接電気に変換するのではなく、熱を蓄えてから電気に変換することで保持されるエネルギーの割合を示しています。[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]溶融塩の混合物は様々です。最も一般的な混合物は、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸カルシウムを含んでいます。これは不燃性で無毒であり、すでに化学工業や金属工業で熱輸送流体として使用されています。したがって、このようなシステムに関する経験は、太陽光発電以外の用途で存在します。
塩は131 ℃（268 °F）で溶けます。断熱された「低温」貯蔵タンク内で288 ℃（550 °F）の液体状態に保たれます。液体の塩は太陽集熱器のパネルに送られ、集光された放射照度によって566 ℃（1,051 °F）まで加熱されます。その後、高温貯蔵タンクに送られます。このタンクは非常に断熱されているため、熱エネルギーを最大1週間有効に貯蔵できます。[ 57 ]
電力が必要な場合、高温の塩は従来の蒸気発生器に送られ、過熱蒸気が生成されます。この過熱蒸気は、従来の石炭火力発電所、石油火力発電所、原子力発電所などで使用されているタービン発電機に供給されます。この設計では、100メガワットのタービンを4時間駆動させるには、高さ約9.1メートル、直径約24メートルのタンクが必要となります。
スペインのいくつかの放物線トラフ発電所[ 58 ]と太陽熱発電タワー開発会社のSolarReserveは、この熱エネルギー貯蔵コンセプトを採用しています。米国のSolana発電所は、 溶融塩による6時間の貯蔵能力を備えています。チリのCerro Dominador発電所は、110MWの太陽熱タワーを備えており、熱は溶融塩に伝達されます。[ 59 ]溶融塩は熱交換器で熱を水に伝達し、過熱蒸気を生成します。この蒸気はタービンに供給され、ランキンサイクル を使用して蒸気の運動エネルギーを電気エネルギーに変換します。[ 60 ]このようにして、Cerro Dominador発電所は約110MWの電力を発電できます。[ 61 ] この発電所は、直射日光がなくても最大17.5時間発電できる高度な貯蔵システムを備えており、必要に応じて中断のない安定した電力供給を提供できます。このプロジェクトは、年間最大950GW·hの販売を確保しました。もう一つのプロジェクトは、マリア・エレナ発電所[ 62 ]で、チリ北部のアントファガスタ地方 にある溶融塩技術を採用した400MWの太陽熱複合施設 です。
太陽光発電（太陽エネルギーとも呼ばれる）は、太陽光エネルギーを電気に変換するもので、太陽光発電（PV）を直接使用するか、集光型太陽光発電を間接的に使用するかのいずれかです。ソーラーパネルは光起電力効果を利用して光を電流に変換します。[ 63 ]集光型太陽光発電システムは、レンズや鏡、太陽追尾システムを使用して、広い範囲の太陽光をホットスポットに集光し、多くの場合、蒸気タービンを駆動します。
太陽光発電（PV）は当初、単一の太陽電池で動く電卓から、オフグリッドの屋上PVシステムで動く遠隔地の住宅まで、小規模および中規模の用途の電力源としてのみ使用されていました。商業用の集光型太陽熱発電所は1980年代に初めて開発されました。それ以来、太陽光パネルのコストが下がるにつれて、グリッド接続型太陽光発電システムの容量と生産量は約3年ごとに倍増しています。新規発電容量の4分の3は太陽光発電であり[ 64 ] 、数百万の屋上設置とギガワット規模の太陽光発電所の両方が建設され続けています。
2025年には、太陽光発電が世界の電力の9%を発電しました。[ 65 ] 2024年には、太陽光発電が世界の電力の7%、一次エネルギーの1%以上（代替法では2.7% ）を発電し、石炭の2倍の新規電力を追加しました。[ 66 ] [ 67 ]陸上風力発電 とともに、公益事業規模の太陽光発電は、ほとんどの国で新規設置の均等化発電原価が最も安い電源です。 [ 68 ] [ 69 ] 2022年に設置された太陽光発電のほぼ半分は屋上に設置されました。[ 70 ]中国は現在、太陽光発電容量の最大の生産国および設置国です。世界的に、太陽電池ウェハーの98%、太陽電池の92%、太陽光パネルの85%を生産しており、2025年上半期には世界の太陽光発電設備容量の55%以上を占めました。[ 71 ] [ 72 ] [ 73 ]
電化と気候変動の抑制には、より多くの低炭素電力が必要である。[ 64 ]国際エネルギー機関は2022年に、送電網の統合と政策、規制、資金調達の課題の緩和には、より多くの努力が必要だと述べた。[ 74 ]それにもかかわらず、太陽光発電はエネルギーコストを大幅に削減できる可能性がある。[ 66 ]太陽光発電はエネルギー安全保障にとって重要である。[ 75 ]
集光型太陽熱発電 (CSP) システムは、レンズや鏡、追尾システムを使用して、広い範囲の太陽光を小さなビームに集光します。集光された熱は、従来の発電所の熱源として使用されます。[ 76 ]集光技術にはさまざまな種類があり、最も開発が進んでいるのは、放物線トラフ、ソーラータワーコレクター、集光型リニアフレネル反射鏡、スターリングディッシュです。さまざまな技術を使用して太陽を追尾し、光を集光します。これらのシステムすべてにおいて、作動流体は集光された太陽光によって加熱され、発電またはエネルギー貯蔵に使用されます。[ 76 ] [ 77 ]設計では、砂嵐、雹、または太陽光発電所の繊細なガラス表面を損傷する可能性のあるその他の極端な気象現象のリスクを考慮する必要があります。金属製のグリルを使用すると、太陽光の大部分が鏡やソーラーパネルに入ると同時に、ほとんどの損傷を防ぐことができます。
太陽光は建築史の始まりから建築設計に影響を与えてきた。[ 79 ]高度な太陽光を利用した建築と都市計画の手法は、光と暖かさを得るために建物を南向きに配置したギリシャ人と中国人によって最初に採用された。[ 80 ]
パッシブソーラー建築の共通の特徴は、太陽に対する方位、コンパクトなプロポーション（表面積対体積比が低い）、選択的遮光（庇）、および熱容量です。[ 79 ]これらの特徴が地域の気候や環境に合わせて調整されると、快適な温度範囲に保たれる明るい空間を作り出すことができます。ソクラテスのメガロンの家は、パッシブソーラー設計の典型的な例です。[ 79 ]ソーラー設計の最新のアプローチでは、コンピューターモデリングを使用して、ソーラー照明、暖房、換気システムを統合ソーラー設計パッケージに結び付けています。[ 81 ]ポンプ、ファン、切り替え可能な窓などのアクティブソーラー機器は、パッシブ設計を補完し、システム性能を向上させることができます。
都市ヒートアイランド（UHI）とは、周囲の環境よりも気温が高い大都市圏のことです。気温の上昇は、アスファルトやコンクリートなどの都市の建材が太陽エネルギーをより多く吸収することによって起こります。これらの建材は、自然環境の建材よりもアルベドが低く、熱容量が高いためです。UHI の影響を相殺する簡単な方法は、建物や道路を白く塗り、その地域に木を植えることです。これらの方法を用いることで、ロサンゼルスの架空の「クールコミュニティ」プログラムでは、 推定費用 10 億米ドルで都市の気温を約 3 °C下げることができ、エアコン費用の削減と医療費の節約により 年間合計 5 億 3000 万米ドルの利益が得られると予測されています。 [ 82 ]
農業と園芸では、植物の生産性を最適化するために太陽エネルギーの捕捉を最適化することを目指しています。植え付けサイクルのタイミング、列の向きの調整、列間の高さのずれ、植物品種の混合などの技術は、作物の収量を向上させることができます。[ 83 ] [ 84 ] [ 85 ]日光は一般的に豊富な資源と考えられていますが、例外は農業における太陽エネルギーの重要性を強調しています。小氷期の短い生育期間の間、フランスとイギリスの農民は、太陽エネルギーの収集を最大化するために果樹壁を使用しました。これらの壁は熱容量として機能し、植物を暖かく保つことで成熟を促進しました。初期の果樹壁は地面に対して垂直に南向きに建設されましたが、時間の経過とともに、日光をよりよく利用するために傾斜した壁が開発されました。1699年、ニコラ・ファティオ・ド・デュイリエは、太陽を追うように旋回できる追跡機構の使用さえ提案しました。[ 86 ]作物の栽培以外の農業における太陽エネルギーの用途には、水の汲み上げ、作物の乾燥、ひよこの飼育、鶏糞の乾燥などがあります。[ 46 ] [ 87 ]最近では、この技術はワイン醸造業者に受け入れられ、彼らは太陽光パネルで生成されたエネルギーをブドウ圧搾機の動力源として利用している。[ 88 ]
温室は太陽光を熱に変換し、一年中生産を可能にし、また（密閉された環境で）地元の気候に自然には適さない特殊作物やその他の植物を栽培することを可能にする。原始的な温室は、ローマ時代にローマ皇帝ティベリウスのために一年中キュウリを生産するために初めて使用された。[ 89 ]最初の近代的な温室は、16世紀にヨーロッパで、海外探検から持ち帰られた外来植物を保存するために建てられた。[ 90 ]温室は今日でも園芸の重要な部分を占めている。プラスチック製の透明な素材も、ポリトンネルや畝カバーで同様の効果を発揮するために使用されている。
太陽光発電自動車の開発は、1980年代からエンジニアリングの目標となっている。ワールドソーラーチャレンジは、大学や企業のチームがオーストラリア中央部のダーウィンからアデレードまでの3,021キロメートル（1,877マイル）を競う、隔年開催の太陽光発電自動車レースである。1987年の創設時には優勝者の平均速度は時速67キロメートル（42マイル）であったが、2007年には優勝者の平均速度は時速90.87キロメートル（56.46マイル）に向上した。[ 91 ] 北米ソーラーチャレンジと計画中の南アフリカソーラーチャレンジは、太陽光発電自動車のエンジニアリングと開発に対する国際的な関心を反映した、同様の競技である。[ 92 ] [ 93 ]
一部の車両は、エアコンなどの補助電源としてソーラーパネルを使用し、車内を涼しく保つことで燃料消費量を削減している。[ 94 ] [ 95 ]
1975年、イギリスで最初の実用的なソーラーボートが建造された。[ 96 ] 1995年までに、PVパネルを組み込んだ旅客船が登場し始め、現在では広く利用されている。[ 97 ] 1996年、堀江健一が太陽光発電による太平洋横断を初めて達成し、 2006年から2007年の冬には、 Sun21カタマランが太陽光発電による大西洋横断を初めて達成した。[ 98 ] 2010年には世界一周の計画があった。[ 99 ]
1974年、無人飛行機アストロフライト・サンライズが初の太陽光発電飛行を成功させた。1979年4月29日、ソーラーライザーが太陽光発電のみで動く完全制御の有人飛行機として初の飛行に成功し、高度40フィート（12メートル）に達した。1980年、ゴッサマーペンギンが太陽光発電のみで動く初の有人飛行を成功させた。これに続いて、 1981年7月にはソーラーチャレンジャーが英仏海峡を横断した。1990年、エリック・スコット・レイモンドは太陽光発電のみでカリフォルニアからノースカロライナまで21回のホップ飛行を行った。[ 100 ]その後、開発は無人航空機 (UAV) に戻り、パスファインダー(1997 年) とその後の設計が続き、2001 年にロケット推進ではない航空機の高度記録である29,524 メートル (96,864フィート)を樹立したヘリオスで頂点に達しました。 [ 101 ] BAE システムズが開発したゼファーは、記録破りのソーラー航空機の最新機種で、2007 年に 54 時間の飛行を行い、2010 年までに 1 か月の飛行が構想されていました。[ 102 ] 2015 年 3 月から 2016 年 7 月にかけて、電動航空機のソーラー インパルスが地球一周に成功しました。これは、太陽電池で駆動し、自力で離陸できる単座機です。この設計により、航空機は数日間空中にとどまることができます。 [ 103 ]
ソーラーバルーンは、通常の空気で満たされた黒いバルーンです。太陽光がバルーンに当たると、内部の空気が加熱されて膨張し、人工的に加熱された熱気球のように上向きの浮力が生じます。ソーラーバルーンの中には、人が飛行できるほど大きなものもありますが、表面積と積載重量の比率が比較的高いため、一般的には玩具市場に限定されています。[ 104 ]
Squad Solarは、ソーラールーフを備え、通常の120ボルトのコンセントに接続して充電できる近所向けの電気自動車です。 [ 105 ]
太陽光化学プロセスは、太陽エネルギーを利用して化学反応を促進します。これらのプロセスは、化石燃料源から得られるはずだったエネルギーを相殺し、太陽エネルギーを貯蔵および輸送可能な燃料に変換することもできます。太陽光誘起化学反応は、熱化学反応または光化学反応に分類できます。[ 106 ]人工光合成によってさまざまな燃料を生産できます。[ 107 ]二酸化炭素の還元から炭素系燃料（メタノールなど）を作る際に必要な多電子触媒化学は困難です。実行可能な代替手段はプロトンからの水素製造ですが、（植物のように）電子源として水を使用するには、2つの水分子の多電子酸化を分子状酸素に習得する必要があります。[ 108 ] 2050年までに沿岸の大都市圏で稼働する太陽光燃料プラントを構想している人もいます。海水を分解して水素を生成し、それを隣接する燃料電池発電所に通し、副産物として生成された純水を直接都市の水道システムに供給します。[ 109 ]さらに、化学エネルギー貯蔵は太陽エネルギー貯蔵のもう一つの解決策である。[ 110 ]
水素製造技術は、1970年代以降、太陽化学研究の重要な分野となっています。光起電力セルまたは光化学セルによる電気分解の他に、いくつかの熱化学プロセスも研究されてきました。そのような方法の1つは、集光器を使用して高温（2,300～2,600 °Cまたは4,200～4,700 °F）で水を酸素と水素に分解します。[ 111 ]別のアプローチでは、太陽集光器からの熱を使用して天然ガスの水蒸気改質を駆動し、従来の改質方法と比較して全体の水素収率を高めます。[ 112 ]反応物の分解と再生を特徴とする熱化学サイクルは、水素製造のもう1つの道を示しています。ワイツマン科学研究所で開発中のSolzincプロセスは、1 MWの太陽炉を使用して、 1,200 °C（2,200 °F）を超える温度で酸化亜鉛（ZnO）を分解します。この最初の反応で純粋な亜鉛が生成され、その後水と反応させて水素を生成することができる。[ 113 ]
蓄熱システムは、太陽エネルギーを家庭で利用可能な温度の熱として、日中または季節間の期間にわたって蓄えることができます。蓄熱システムは一般的に、水、土、石など、比熱容量の高い入手しやすい材料を使用します。適切に設計されたシステムは、ピーク需要を下げ、使用時間をオフピーク時間にシフトし、全体的な暖房および冷房の必要量を削減できます。[ 114 ] [ 115 ]
パラフィンワックスやグラウバー塩などの相変化材料も、別の蓄熱媒体です。これらの材料は安価で入手しやすく、家庭で使用可能な温度（約64 ℃または147 °F）を提供できます。「ドーバーハウス」（マサチューセッツ州ドーバー）は、1948年にグラウバー塩暖房システムを初めて使用しました。[ 116 ]溶融塩を使用して太陽エネルギーを高温で貯蔵することもできます。塩は、低コストで比熱容量が高く、従来の電力システムと互換性のある温度で熱を供給できるため、効果的な蓄熱媒体です。ソーラーツープロジェクトはこのエネルギー貯蔵方法を使用し、 68 m 3 の貯蔵タンクに1.44テラジュール（400,000 kWh）を貯蔵し、年間貯蔵効率は約 99% でした。[ 117 ]
オフグリッドPVシステムでは、従来、余剰電力を蓄えるために充電式バッテリーが使用されてきました。グリッド接続システムでは、余剰電力を送電網に送ることができ、不足分は標準グリッド電力で補うことができます。ネットメータリングプログラムでは、家庭システムがグリッドに送電した電力に対してクレジットが付与されます。これは、家庭で消費する電力よりも多くの電力を生産するたびにメーターを「巻き戻す」ことで処理されます。正味の電力使用量がゼロを下回る場合、電力会社はキロワット時クレジットを翌月に繰り越します。[ 118 ]他のアプローチでは、消費電力と生産電力を測定するために2つのメーターを使用します。2つ目のメーターの設置コストが増加するため、これはあまり一般的ではありません。ほとんどの標準メーターは両方向を正確に測定するため、2つ目のメーターは不要です。
揚水式水力発電は、エネルギーが利用可能なときに、低い標高の貯水池から高い標高の貯水池に水を汲み上げてエネルギーを蓄えます。需要が高いときに水を放流することでエネルギーが回収され、ポンプが水力発電機になります。[ 119 ]
産業革命に伴う石炭使用量の急増を皮切りに、エネルギー消費は木材やバイオマスから化石燃料へと着実に移行していった。1860年代に始まった太陽光発電技術の初期開発は、石炭が間もなく枯渇するという予想に基づいていた。しかし、石炭と石油の入手可能性、経済性、有用性が高まるにつれ、20世紀初頭には太陽光発電技術の開発は停滞した。[ 120 ]
1973年の石油禁輸と1979年のエネルギー危機は、世界中でエネルギー政策の再編成を引き起こしました。これにより、太陽光発電技術の開発に再び注目が集まりました。[ 121 ] [ 122 ]展開戦略は、米国の連邦太陽光発電利用プログラムや日本のサンシャインプログラムなどのインセンティブプログラムに焦点を当てました。その他の取り組みとしては、米国（SERI、現在のNREL）、日本（NEDO）、ドイツ（フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所ISE）に研究施設が設立されました。[ 123 ]
商業用太陽熱温水器は1890年代に米国で登場し始めました。[ 124 ]これらのシステムは1920年代まで使用が増加しましたが、より安価で信頼性の高い暖房燃料に徐々に置き換えられました。[ 125 ]太陽光発電と同様に、太陽熱温水器は1970年代の石油危機の結果として再び注目を集めましたが、1980年代には石油価格の下落により関心が薄れました。太陽熱温水器分野の開発は1990年代を通じて着実に進み、1999年以降は年間成長率が平均20%となっています。[ 126 ] 一般的に過小評価されていますが、太陽熱温水器と太陽熱冷房は、 2007年時点で推定容量154 GWで、最も広く普及している太陽熱技術です。[ 126 ]
国際エネルギー機関は、太陽エネルギーが現在世界が直面している最も緊急な問題の解決に大きく貢献できると述べている。[ 1 ]
手頃な価格で、枯渇することのないクリーンな太陽エネルギー技術の開発は、長期的に大きな利益をもたらすでしょう。それは、自国の、枯渇することのない、そしてほとんど輸入に依存しない資源への依存を通じて各国のエネルギー安全保障を高め、持続可能性を向上させ、汚染を減らし、気候変動緩和のコストを削減し、化石燃料価格を通常よりも低く抑えることになります。これらの利点は世界規模です。したがって、早期導入のためのインセンティブの追加コストは学習投資とみなされるべきであり、賢明に支出され、広く共有される必要があります。[ 1 ]
2011年に国際エネルギー機関が発表した報告書によると、政治家が気候変動の抑制と再生可能エネルギーへの移行に取り組めば、太陽光発電、太陽熱温水器、集光型太陽熱発電などの太陽エネルギー技術は2060年までに世界のエネルギーの3分の1を供給できる可能性がある。太陽からのエネルギーは、エネルギー効率の向上や温室効果ガス排出者へのコスト負担と並んで、世界経済の脱炭素化において重要な役割を果たす可能性がある。「太陽光発電の強みは、小規模から大規模まで、用途の多様性と柔軟性が非常に高いことである」[ 127 ] 。
我々は、石油と石炭の資源が枯渇した後でも、人類は太陽光線から無限のエネルギーを得ることができることを証明した。
—フランク・シューマン、ニューヨーク・タイムズ、1916年7月2日。[ 26 ]
2021年、ラザードは、補助金なしの新規建設の公益事業規模の太陽光発電の均等化コストを1MWhあたり37ドル未満と推定し、既存の石炭火力発電はそれを上回ると推定した。 [ 128 ] [ 129 ]また、2021年の報告書では、新規の太陽光発電は新規のガス火力発電よりも安価だが、一般的には既存のガス火力発電よりも安価ではないとも述べている。[ 129 ]
集光型太陽光発電（CPV）システムは、太陽光を太陽電池の表面に集光して発電します。熱電変換素子、または「熱起電力」素子は、異なる材料間の温度差を電流に変換します。
浮体式太陽光発電（FPV）は、浮体構造物に取り付けられた太陽光パネルです。パネルを保持する構造物は通常、プラスチック製のブイとケーブルで構成されています。その後、水域（貯水池、採石場の湖、灌漑用水路、または修復池や尾鉱池など）に設置されます。[ 130 ] [ 131 ] [ 132 ] [ 133 ] [ 134 ]
これらのシステムは、陸上の太陽光発電（PV）よりも利点があります。水面は土地よりも安価である可能性があり、レクリエーションに使用されない水域に建設される構造物に対する規則や規制は少なくなります。ライフサイクル分析によると、発泡体ベースのFPV [ 135 ]は、報告されている結晶シリコン太陽光発電技術の中で最も短いエネルギー回収期間（1.3 年）と最も低い温室効果ガス排出量対エネルギー比（11 kg CO 2 eq/MWh）を持っています。 [ 136 ] FPV は、あらゆる用途の電力を生成するだけでなく、浮いている水上で電気分解によってグリーン水素を生成するためにも使用できます。 [ 137 ]
水がパネルを冷却するため、浮体式太陽光発電アレイは陸上の太陽光発電パネルよりも高い効率を達成できます。パネルには錆や腐食を防ぐための特殊なコーティングを施すことができます。[ 138 ]また、浮体式太陽光発電は日陰を作り、蒸発を遅らせ、藻類の繁殖を抑制します。[ 139 ]
この再生可能エネルギー技術の市場は2016年以降急速に成長している。数十kWpの容量を持つ最初の20の発電所は2007年から2013年の間に建設された。[ 140 ]設備容量は2020年の3GWから2022年には13GWに増加し、[ 141 ] 2025年までに10GWという予測を上回った。[ 142 ]世界銀行は、浮体式太陽光発電に適した大きな水域が6,600あり、その表面の10%をパネルで覆えば技術的に4,000GWを超える容量があると推定している。[ 141 ]
米国は、世界のどの国よりも浮体式太陽光発電の潜在力が高い。[ 143 ]浮体式太陽光発電に適した水域は米国全土に広く分布している。米国南東部と南部の平原州には、一般的に最大容量の貯水池がある。[ 143 ]
ヒートポンプは、熱源から「ヒートシンク」と呼ばれる目的地に熱エネルギーを供給する装置です。ヒートポンプは、冷たい空間から熱を吸収し、より暖かい空間に放出することで、自発的な熱の流れの方向とは逆方向に熱エネルギーを移動させるように設計されています。太陽熱補助ヒートポンプは、ヒートポンプと太陽熱パネルを単一の統合システムに統合したものです。通常、これら 2 つの技術は別々に使用されるか (または並列に配置されるだけ)、温水を生成します。[ 144 ]このシステムでは、太陽熱パネルが低温熱源の役割を果たし、生成された熱はヒートポンプの蒸発器に供給するために使用されます。[ 145 ]このシステムの目標は、高いCOPを得て、より効率的かつ低コストでエネルギーを生成することです。
ヒートポンプと組み合わせる太陽熱パネルは、シート＆チューブ型、ロールボンド型、ヒートパイプ型、サーマルプレート型など、あらゆるタイプ、あるいはハイブリッド型（単結晶／多結晶、薄膜）のいずれでも使用可能です。ハイブリッド型パネルは、ヒートポンプの電力需要の一部を賄うことができ、消費電力を削減できるため、システムの変動費を抑えることができるため、より好ましい選択肢と言えます。
電気航空機とは、内燃機関ではなく電気モーターで動く航空機であり、電気は燃料電池、太陽電池、ウルトラキャパシタ、電力ビーム[ 146 ]またはバッテリーから供給される。
現在、飛行する有人電動航空機はほとんどが実験的なデモンストレーターですが、小型の無人航空機の多くはバッテリーで駆動しています。電動模型航空機は1970年代から飛行しており、1957年に1件の報告があります。[ 147 ] [ 148 ]初めて人を乗せた電動飛行は1973年に行われました。[ 149 ] 2015年から2016年にかけて、有人太陽光発電飛行機「ソーラー・インパルス2」が地球一周飛行を完了しました。[ 150 ]
{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)ギュンター・ロシェルトは、翼幅 16 m のソーラー飛行機 Solair I の設計者兼製造者でした。1983 年 8 月 21 日、彼は Solair I で、主に太陽エネルギーと上昇気流を利用して 5 時間 41 分間飛行しました。