太陽エネルギー

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）、太陽熱建築など、さまざまな技術を使用して利用できます。^{[1] [2] [3]太陽エネルギーは}再生可能エネルギーの重要な供給源であり、太陽エネルギーを捕捉して分配する方法や太陽熱に変換する方法に応じて、その技術はパッシブソーラーと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の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、より良い採光のための建物の設計、好ましい熱質量または光拡散特性を持つ材料の選択、空気が自然に循環する空間の編成が含まれます。

2011年、国際エネルギー機関は「手頃な価格で無尽蔵かつ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。自国固有の無尽蔵かつ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、地球温暖化を緩和するコストを下げるだろう。これらの利点は世界的である」と述べた。^{[1] [4]}

地球は 上層大気で174ペタワット（PW）の太陽放射（日射）を受けます。^[6]約30％が宇宙に反射され、残りの122 PWは雲、海洋、陸地で吸収されます。地球表面での太陽光のスペクトルは、主に可視光線と近赤外線の範囲に広がっており、近紫外線も少し含まれています。^{[7]世界の人口のほとんどは、日射量が150～300ワット/m 2}、または1日あたり3.5～7.0 kWh /m ²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、および大気によって吸収されます。海洋からの蒸発した水を含む暖かい空気が上昇し、大気の循環または対流を引き起こします。空気が気温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として降り注ぎ、水循環が完了します。水の凝結潜熱によって対流が増幅され、風、サイクロン、高気圧などの大気現象が発生します。^[9]海洋と陸地によって吸収された太陽光は、地表の平均気温を 14 °C に保っています。^{[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、食料、木材、化石燃料の原料となるバイオマスを生成します。^[11]

地球の大気、海洋、陸地が吸収する太陽エネルギーの総量は 、年間およそ122 PW·year = 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）で世界が1年間に使用するエネルギーより多かった。^{[13] [14]}光合成は、年間約3,000 EJをバイオマスとして捕捉します。^[15]

人間が利用できる潜在的な太陽エネルギーは、地球の表面近く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、時間の変化、雲量、人間が利用できる土地などの要因によって、獲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、太陽光だけですべてのエネルギーを生成するために必要な土地面積は450,000 km ²であると推定しました。これは、スウェーデンの面積、モロッコの面積、カリフォルニアの面積（地球の総陸地面積の0.3％）とほぼ同じです。 ^[20]

太陽光技術は、太陽光を捕らえ、変換し、分配する方法によって受動的または能動的に分類され、主に赤道からの距離に応じて、世界中のさまざまなレベルで太陽エネルギーを活用できます。太陽エネルギーは主に実用的な目的で太陽放射を使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タイプの再生可能エネルギーは、太陽から直接または間接的に得られます 。

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、太陽熱集熱器、ポンプ、ファンを使用して太陽光を有用な出力に変換します。パッシブソーラー技術には、好ましい熱特性を持つ材料の選択、空気が自然に循環する空間の設計、太陽に対する建物の位置の参照^{[説明が必要]}が含まれます。アクティブソーラー技術はエネルギーの供給を増やすため、供給側技術と見なされますが、パッシブソーラー技術は代替リソースの必要性を減らすため、一般的に需要側技術と見なされます。^[21]

2000年に、国連開発計画、国連経済社会局、世界エネルギー評議会は、人類が毎年利用できる太陽エネルギーの潜在量の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。太陽エネルギーは、年間1,600～49,800エクサジュール（4.4 ^{×1014～1.4×1016kWh} ）の世界^的潜在力 を持っていると述べられています（下表を参照）。^[22]

太陽熱技術は、給湯、暖房、冷房、プロセス熱生成に利用できます。^[23]

1878年、パリ万国博覧会でオーギュスタン・ムショは太陽熱蒸気機関の実演に成功したが、安価な石炭などの理由で開発を継続することはできなかった。

1897年、米国の発明家、技術者、太陽エネルギーの先駆者であるフランク・シューマンは、太陽エネルギーを水よりも沸点の低いエーテルで満たされた四角い箱に反射させて蒸気エンジンを動かす小型のデモ用ソーラーエンジンを製作した。1908年、シューマンはより大規模な太陽光発電所を建設する目的でサンパワー社を設立した。彼は技術顧問のASEアッカーマン、英国の物理学者チャールズ・ヴァーノン・ボーイズ卿^[24]とともに、鏡を使って太陽エネルギーをコレクターボックスに反射させる改良システムを開発し、加熱能力を高めたため、エーテルの代わりに水を使用できるようになった。その後シューマンは低圧水で動く本格的な蒸気エンジンを製作し、1912年までにソーラーエンジンシステム全体の特許を取得した。

シューマンは1912年から1913年にかけて、エジプトのマア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使用して45～52キロワット（60～70 馬力）のエンジンを動かし、毎分22,000リットル（4,800英ガロン、5,800米ガロン）以上の水をナイル川から隣接する綿花畑に汲み上げた。1930年代に第一次世界大戦が勃発し、安価な石油が発見されたことで太陽エネルギーの進歩は阻害されたが、シューマンのビジョンと基本設計は1970年代に太陽熱エネルギーへの関心の波とともに復活した。^[25] 1916年にシューマンは太陽エネルギーの利用を主張するメディアで次のように語った。

私たちは熱帯地方における太陽エネルギーの商業的利益を証明し、さらに具体的には、石油と石炭の備蓄が枯渇した後も人類は太陽の光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温めます。中緯度（北緯40度から南緯40度の間）では、水温が60℃（140℉）までの家庭用温水の60～70％を太陽熱暖房システムで賄うことができます。^[27]最も一般的なタイプの太陽熱温水器は、真空管式集熱器（44％）とガラス加工平板式集熱器（34％）で、家庭用温水によく使用されます。また、ガラス加工していないプラスチック製集熱器（21％）は、主にプールの加熱に使用されます。^[28]

2015年時点で、太陽熱温水システムの総設置容量は約436ギガワット（GW th ）で、 中国は_309GW thを設置して市場の71％を占め、その導入で世界をリードしています_。 [ ^29] イスラエルとキプロスは、太陽熱温水システムの使用で一人当たりのリーダーであり、90％以上の家庭で使用されています。^[30]米国、カナダ、オーストラリアでは、プールの暖房が太陽熱温水の主な用途であり、 2005年時点での設置容量は18GW _thです。 ^[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）、住宅で使用されるエネルギーの約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。暖房での太陽熱の使用は、太陽追跡や太陽光集光光学系などのアクティブ要素が使用されているかどうかに応じて、パッシブソーラーコンセプトとアクティブソーラーコンセプトに大まかに分けられます。

蓄熱材とは、熱（太陽エネルギーの場合は太陽からの熱）を蓄えるために使用できるあらゆる材料のことです。一般的な蓄熱材には、石、セメント、水などがあります。歴史的には、これらは乾燥した気候や温暖な地域で、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、冷温帯地域でも暖かさを保つために使用できます。蓄熱材のサイズと配置は、気候、日光、日陰の状況など、いくつかの要因によって異なります。蓄熱材が適切に組み込まれると、空間の温度が快適な範囲に維持され、補助的な暖房および冷房装置の必要性が減ります。^[33]

太陽熱煙突（この文脈では熱煙突）は、建物の内外をつなぐ垂直シャフトで構成されたパッシブソーラー換気システムです。煙突が暖まると、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 ガラスや熱質量材料^[34]を使用することで、性能を向上させることができます。

落葉樹や植物は、太陽熱による冷暖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、夏には葉が日陰を作り、冬には葉のない枝が光を通します。^[35]葉のない木は入射する太陽放射の 1/3 から 1/2 を遮るので、夏の日陰の利点とそれに伴う冬の暖房の損失はバランスが取れています。^{[36]暖房負荷が大きい気候では、冬の太陽光の利用を妨げるため、赤道に面した建物側に落葉樹を植えるべきではありません。ただし、東側と西側に植えると、冬の}太陽光の獲得に顕著な影響を与えることなく、ある程度の夏の日陰を作ることができます。^[37]

ソーラークッカーは、調理、乾燥、低温殺菌に太陽光を使用します。これらは、ボックスクッカー、パネルクッカー、反射クッカーの3つの大まかなカテゴリに分類できます。^[38]最もシンプルなソーラークッカーは、1767年にオレス・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。部分的に曇りの空でも効果的に使用でき、通常は90〜150 °C（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断熱容器に太陽光を向け、ボックスクッカーに匹敵する温度に達します。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。これらのクッカーの温度は315 °C（599 °F）以上になりますが、適切に機能するには直射日光が必要であり、太陽を追跡するように再配置する必要があります。^[41]

パラボラ皿、トラフ、シェフラー反射鏡などの太陽光集光技術は、商業および工業用途にプロセス熱を供給することができます。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太陽エネルギー総合プロジェクト（STEP）で、114枚のパラボラ皿が衣料品工場のプロセス加熱、空調、および電気要件の50％を供給しました。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、400kWの電力に加えて、401kWの蒸気と468kWの冷水の形で熱エネルギーを供給し、1時間のピーク負荷蓄熱を備えていました。^{[42]蒸発池は、}蒸発によって溶解固形物を濃縮する浅いプールです。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の濃縮や、廃棄物ストリーム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、風や日光による蒸発によって衣類を乾燥させるため、電気やガスを消費しません。米国の一部の州では、法律によって衣類の「乾燥権」が保護されています。^[44]ガラス張りでない蒸散式集熱器 (UTC) は、通気口を予熱するために使用される、日光に面した穴あきの壁です。UTC は、流入する空気の温度を最大 22 °C (40 °F) まで上げ、45～60 °C (113～140 °F) の排気温度を実現します。^[45]蒸散式集熱器は投資回収期間が短い (3～12 年) ため、ガラス張りの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、コスタリカのコーヒー豆の乾燥に使用される860m2（9,300平方フィート）のコレクターや、インドのコインバトールのマリーゴールドの乾燥に使用される1,300m2（14,000平方フィート）のコレクターなど、合計35,000平方メートル^（380,000^平方フィート）のコレクター面積を持つ80以上のシステムが世界中で設置されています。^{[46] [更新が必要]}

太陽熱蒸留は、塩水や汽水を飲料水にするのに使用できます。記録に残る最初の例は、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年にチリの鉱山の町ラスサリナスで初めて建設されました。^[48] 4,700 m ² (51,000 平方フィート) の太陽光収集面積を持つこのプラントは、1日あたり最大22,700 L (5,000 英ガロン、6,000 米ガロン) を生産し、40年間稼働できました。^[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 (または温室タイプ)、垂直、円錐、逆吸収、マルチウィック、多重効果などがあります。これらの蒸留器は、パッシブ、アクティブ、またはハイブリッドモードで動作できます。ダブルスロープ蒸留器は分散型家庭用に最も経済的ですが、アクティブ多重効果ユニットは大規模な用途に適しています。^[47]

太陽光による水の消毒（SODIS）は、水を入れたプラスチック製のポリエチレンテレフタレート（PET）ボトルを数時間太陽光にさらす方法です。^[49]暴露時間は天候や気候によって異なりますが、最低6時間から完全に曇っている場合は2日間です。^{[50]これは、}世界保健機関によって、家庭用水の処理と安全な保管に実行可能な方法として推奨されています。 ^[51]発展途上国では、200万人を超える人々が日常の飲料水としてこの方法を使用しています。^[50]

太陽エネルギーは、水質安定池で使用して、化学薬品や電気を使わずに廃水を処理することができます。さらなる環境上の利点は、そのような池では藻類が成長し、光合成で二酸化炭素を消費することですが、藻類は有毒な化学物質を生成し、水を使用できなくなる可能性があります。^{[52] [53]}

Molten salt can be employed as a thermal energy storage method to retain thermal energy collected by a solar tower or solar trough of a concentrated solar power plant so that it can be used to generate electricity in bad weather or at night. It was demonstrated in the Solar Two project from 1995 to 1999. The system is predicted to have an annual efficiency of 99%, a reference to the energy retained by storing heat before turning it into electricity, versus converting heat directly into electricity.^[54][55][56] The molten salt mixtures vary. The most extended mixture contains sodium nitrate, potassium nitrate and calcium nitrate. It is non-flammable and non-toxic, and has already been used in the chemical and metals industries as a heat-transport fluid. Hence, experience with such systems exists in non-solar applications.

The salt melts at 131 °C (268 °F). It is kept liquid at 288 °C (550 °F) in an insulated "cold" storage tank. The liquid salt is pumped through panels in a solar collector where the focused irradiance heats it to 566 °C (1,051 °F). It is then sent to a hot storage tank. This is so well insulated that the thermal energy can be usefully stored for up to a week.^[57]

When electricity is needed, the hot salt is pumped to a conventional steam-generator to produce superheated steam for a turbine/generator as used in any conventional coal, oil, or nuclear power plant. A 100-megawatt turbine would need a tank about 9.1 metres (30 ft) tall and 24 metres (79 ft) in diameter to drive it for four hours by this design.

スペインのいくつかのパラボリックトラフ発電所^[58]と太陽光発電タワーの開発業者SolarReserveは、この熱エネルギー貯蔵コンセプトを使用しています。米国のソラナ発電所には、溶融塩による6時間の貯蔵があります。チリのセロ・ドミナードル発電所には110MWの太陽熱タワーがあり、熱は溶融塩に伝達されます。^{[59]次に、溶融塩は熱交換器で水に熱を伝達し、過熱蒸気を発生させます。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、セロ・ドミナードル発電所は約110MWの電力を発電することができます。^[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、必要に応じて中断することなく安定した電力供給を行うことができます。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域 にある溶融塩技術を採用した400MWの太陽熱発電所です。

集光型太陽光発電（CSP）システムは、レンズまたはミラーと追跡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。集中した熱は、従来の発電所の熱源として使用されます。さまざまな集光技術が存在し、最も開発されているのは、放物面トラフ、ソーラータワーコレクター、集光リニアフレネル反射鏡、スターリングディッシュです。太陽を追跡し、光を集光するためにさまざまな技術が使用されています。これらすべてのシステムでは、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。^{[72]設計では、太陽光発電所の微細なガラス表面を損傷する可能性のある}砂嵐、雹、またはその他の極端な気象イベント のリスクを考慮する必要があります。金属製のグリルは、ほとんどの損傷を防ぎながら、高い割合の太陽光をミラーとソーラーパネルに入射させることができます。

建築史の始まり以来、太陽光は建築デザインに影響を与えてきました。^[74]高度な太陽建築と都市計画手法は、光と暖かさを提供するために建物を南向きに置いたギリシャ人と中国人によって最初に採用されました。^[75]

パッシブソーラー建築の共通の特徴は、太陽に対する向き、コンパクトな比率（表面積対容積比が低い）、選択的な日陰（張り出し）、熱質量である。^[74]これらの特徴を地元の気候や環境に合わせて調整すると、快適な温度範囲に保たれた明るい空間を作り出すことができる。ソクラテスのメガロンハウスは、パッシブソーラーデザインの典型的な例である。^[74]ソーラーデザインの最新のアプローチでは、ソーラー照明、暖房、換気システムを統合されたソーラーデザインパッケージに結び付けるコンピューターモデリングが使用されている。^[76]ポンプ、ファン、切り替え可能な窓などのアクティブなソーラー機器は、パッシブデザインを補完し、システムのパフォーマンスを向上させることができる。

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ある。気温の上昇は、自然環境よりもアルベドが低く熱容量が高いアスファルトやコンクリートなどの都市の材料による太陽エネルギーの吸収の増加によって生じる。UHI効果に対抗する簡単な方法は、建物や道路を白く塗り、その地域に木を植えることである。これらの方法を使用すると、ロサンゼルスの仮想的な「クールコミュニティ」プログラムは、推定10億ドルの費用で都市の気温を約3°C下げることができ、空調コストの削減と医療費の節約により、推定年間総利益は5億3000万ドルになると予測されている。^[77]

農業と園芸は、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しようとしている。植え付け周期のタイミング、列の向きの調整、列間の高さのずらし、植物の品種の混合などの技術により、作物の収穫量を改善できる。^{[78] [79] [80]}太陽光は一般的に豊富な資源であると考えられているが、例外は農業における太陽エネルギーの重要性を浮き彫りにする。小氷期の短い生育期の間、フランスとイギリスの農家は太陽エネルギーの収集を最大化するためにフルーツウォールを採用した。これらの壁は熱質量として機能し、植物を暖かく保つことで熟成を早めた。初期のフルーツウォールは地面に対して垂直で南向きに建てられたが、時が経つにつれて、太陽​​光をより有効に活用するために傾斜した壁が開発された。1699年には、ニコラ・ファティオ・ド・デュイリエが、太陽を追うように回転できる追跡機構の使用を提案した。 ^[81]農業における太陽エネルギーの用途には、作物の栽培以外に、水の汲み上げ、作物の乾燥、ひなの育雛、鶏糞の乾燥などがある。^{[46] [82]最近ではこの技術が}ワイン醸造家にも取り入れられ、太陽光パネルで発電し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。^[83]

温室は太陽光を熱に変換し、一年中生産を可能にし、（閉鎖された環境で）地元の気候に自然に適さない特別な作物やその他の植物を栽培できるようにします。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ました。^[84]最初の近代的な温室は、海外の探検から持ち帰った外来植物を保管するために16世紀にヨーロッパで建設されました。^{[85]温室は今日でも園芸の重要な部分です。同様の効果のために、プラスチックの透明素材が}ポリハウスや畝覆いに使用されています。

太陽光発電自動車の開発は、1980年代から工学上の目標となっていた。ワールドソーラーチャレンジは、2年に1度開催される太陽光発電自動車レースで、大学や企業のチームがダーウィンからアデレードまでのオーストラリア中央部を3,021キロメートル（1,877マイル）にわたって競い合う。1987年に創設された当時、優勝者の平均速度は時速67キロメートル（42マイル）だったが、2007年までに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。^[86] 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工学と開発に対する国際的な関心を反映した、類似の競技である。^{[87] [88]}

一部の車両では、太陽光パネルをエアコンなどの補助電源として使用し、車内を涼しく保ち、燃料消費を削減しています。^{[89] [90]}

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ました。^[91] 1995年までに、PVパネルを組み込んだ客船が登場し始め、現在では広く使用されています。^[92] 1996年、堀江謙一が太陽光発電による初の太平洋横断を成し遂げ、 2006年から2007年の冬には、サン21双胴船が太陽光発電による初の大西洋横断を成し遂げました。^[93] 2010年には世界一周の計画がありました。^[94]

1974 年、無人飛行機のアストロフライトサンライズが初の太陽エネルギー飛行を行いました。1979 年 4 月 29 日、ソーラー ライザーが、太陽エネルギーで駆動する完全制御の有人飛行機械として初の飛行を行い、高度 40 フィート (12 メートル) に到達しました。1980 年には、ゴッサマー ペンギンが、太陽光発電のみで駆動する初の有人飛行を行いました。その後すぐに、ソーラー チャレンジャーが1981 年 7 月にイギリス海峡を横断しました。1990 年には、エリック スコット レイモンドが21 回の飛行で、太陽エネルギーを使用してカリフォルニアからノースカロライナまで飛行しました。^{[95]その後、開発は}パスファインダー（1997年）とそれに続く設計で無人航空機（UAV）に戻り、 2001年にロケット推進ではない航空機の高度記録29,524メートル（96,864フィート）を樹立したヘリオス^{で最高潮に達した。 [96]} 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モデルで、2007年に54時間飛行し、2010年までに1か月の飛行が構想された。^[97] 2015年3月から2016年7月にかけて、電気航空機のソーラーインパルスが世界一周に成功した。太陽電池で駆​​動し、自力で離陸できる単座機である。この設計により、航空機は数日間空中に留まることができる。^[98]

ソーラーバルーンは、普通の空気で満たされた黒いバルーンです。バルーンに太陽光が当たると、バルーン内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発生します。ソーラーバルーンの中には人間が飛行できるほどの大きさのものもありますが、表面積と積載重量の比率が比較的高いため、一般的にはおもちゃの市場での使用に限られています。^[99]

スクワッドソーラーは、ソーラールーフを備え、通常の120ボルトのコンセントに差し込んで充電できる近隣電気自動車です。 ^[100]

太陽化学プロセスは、太陽エネルギーを使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の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。太陽によって誘発される化学反応は、熱化学反応と光化学反応に分けられます。^[101]人工光合成では、さまざまな燃料を生成できます。^[102]二酸化炭素の還元から炭素ベースの燃料（メタノールなど）を製造する際に関与する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、水を電子源として使用するには（植物が行うように）、2つの水分子から分子状酸素への多電子酸化を習得する必要があります。^[103] 2050年までに沿岸の大都市圏で太陽燃料プラントを稼働させること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、隣接する燃料電池発電所に流し、副産物として純水を直接自治体の水道システムに送ります。^[104]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1つの解決策です。^[105]

水素製造技術は、1970 年代から太陽化学研究の重要な分野となっている。光電池または光化学セルによる電気分解のほかに、いくつかの熱化学プロセスも研究されてきた。そのような方法の 1 つは、濃縮器を使用して、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するものである。^[106]別のアプローチでは、太陽熱濃縮器からの熱を使用して天然ガスの水蒸気改質を促進し、従来の改質方法と比較して全体的な水素収率を高めている。^[107]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 つの手段である。ワイツマン科学研究所で開発中の Solzinc プロセスでは、 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) を分解する。この最初の反応で純粋な亜鉛が生成され、その後、水と反応して水素を生成することができる。^[108]

蓄熱システムは、太陽エネルギーを家庭で使用可能な温度で、毎日または季節間の期間、熱の形で蓄えることができます。蓄熱システムでは通常、水、土、石など、比熱容量の高い入手しやすい材料が使用されます。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、全体的な暖房と冷房の要件を減らすことができます。^{[109] [110]}

パラフィンワックスやグラウバー塩などの相変化物質も蓄熱媒体の1つである。これらの物質は安価で入手しやすく、家庭で使用できる温度（約64℃または147℉）を提供できる。 1948年、マサチューセッツ州ドーバーの「ドーバーハウス」がグラウバー塩暖房システムを使用した最初の建物となった。^{[111]太陽エネルギーは}溶融塩を使用して高温で貯蔵することもできる。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、効果的な貯蔵媒体である。ソーラーツープロジェクトではこのエネルギー貯蔵方法を使用し、68m ^{3の貯蔵タンクに1.44}テラジュール（400,000kWh）を貯蔵し、年間貯蔵効率は約99％であった。^[112]

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た。グリッド接続システムでは、余剰電力を送電網に送り、標準のグリッド電力を使用して不足分を補うことができる。ネットメータリングプログラムでは、家庭のシステムがグリッドに供給する電力に対してクレジットが与えられる。これは、家庭が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「ロールバック」することで処理される。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す。^[113]他のアプローチでは、消費された電力と生産された電力を測定するために2つのメーターを使用する。これは、2つ目のメーターの設置コストが増加するため、あまり一般的ではない。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ある。

揚水式水力発電は、エネルギーが利用可能なときに、低標高の貯水池から高標高の貯水池に水を汲み上げる形でエネルギーを蓄える。需要が高いときに水を放出することでエネルギーを回収し、ポンプは水力発電機となる。^[114]

産業革命に伴う石炭使用量の急増に始まり、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、石炭がすぐに不足するという予想によって推進された。しかし、20世紀初頭には石炭と石油の入手可能性、経済性、有用性が高まるにつれて、太陽​​光発電技術の開発は停滞した。^[115]

1973年の石油禁輸と1979年のエネルギー危機により、世界中でエネルギー政策の再編が起こり、太陽光発電技術の開発に新たな注目が集まった。^{[116] [117]}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重点が置かれた。その他の取り組みとしては、米国（SERI、現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）に研究施設を設立したことが挙げられる。^[118]

商用太陽熱温水器は、1890年代に米国で登場し始めました。^[119]これらのシステムは1920年代まで使用が増加しましたが、徐々により安価で信頼性の高い暖房燃料に置き換えられました。^[120]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低下しました。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年以来の年間成長率は平均20％でした。^[121]一般的に過小評価されていますが、太陽熱温水器と冷房は、2007年時点で推定容量が154GWで、圧倒的に最も広く導入されている太陽熱技術です。^[121]

国際エネルギー機関は、太陽エネルギーが世界が現在直面している最も緊急の問題のいくつかを解決するのに大きく貢献できると述べている。^[1]

手頃な価格で無尽蔵かつ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、自国で無尽蔵かつ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、気候変動を緩和するコストを下げ、化石燃料価格を他の方法よりも低く抑えるだろう。これらの利点は世界的である。したがって、早期導入のインセンティブの追加コストは学習投資とみなすべきであり、賢明に使用され、広く共有される必要がある。^[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、政治家が気候変動を抑制し、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を賄うことができるという。太陽エネルギーは、エネルギー効率の改善や温室効果ガス排出者への負担軽減とともに、世界経済の脱炭素化に重要な役割を果たす可能性がある。「太陽エネルギーの強みは、小規模から大規模まで、信じられないほど多様で柔軟性のあるアプリケーションである」^[122]

我々は、石油と石炭の備蓄が枯渇した後も、人類は太陽の光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]

2021年にラザードは、新規に建設される補助金なしの公益事業規模の太陽光発電の均等化発電コストは1MWhあたり37ドル未満、既存の石炭火力発電はその額を超えると推定した。 ^{[123] [124]} 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であるが、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られている。^[124]

集光型太陽光発電 (CPV) システムは、発電を目的として太陽光を太陽光発電面に集中させます。熱電装置、または「熱起電」装置は、異なる材料間の温度差を電流に変換します。

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、それを暖かい空間に放出することで、自発的な熱流の方向とは反対に熱エネルギーを移動させるように設計されています。太陽熱ヒートポンプは、ヒートポンプと熱ソーラーパネルを1つ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（または単に並列に配置して）お湯を生成します。^[140]このシステムでは、太陽熱パネルが低温熱源の機能を果たし、生成された熱はヒートポンプの蒸発器に供給されます。^[141]このシステムの目標は、高いCOPを実現し、より効率的で安価な方法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て、あらゆるタイプの太陽熱パネル（シートとチューブ、ロールボンド、ヒートパイプ、サーマルプレート）またはハイブリッド（単結晶/多結晶、薄膜）を使用できます。ハイブリッドパネルを使用すると、ヒートポンプの電力需要の一部をカバーでき、電力消費量を削減して、システムの変動コストを削減できるため、ハイブリッドパネルの使用が推奨されます。

電気飛行機とは、内燃機関ではなく電気モーターで動く飛行機であり、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、^[142] 、またはバッテリーから供給されます。

現在、飛行中の有人電気飛行機は、ほとんどが実験的なデモンストレーション機であるが、多くの小型無人航空機はバッテリーで駆動している。電気駆動の模型飛行機は1970年代から飛行しており、1957年に1件の報告がある。 ^{[143] [144]}初めて人を乗せた電気駆動飛行は1973年に行われた。^[145] 2015年から2016年にかけて、有人の太陽光発電飛行機であるソーラーインパルス2号が地球一周飛行を完了した。^[146]