世界は完全に太陽エネルギーに頼ることができるのか？

概要

この記事では、世界が完全に太陽エネルギーに頼ることができる可能性について探究します。太陽パネルが太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する方法や、太陽エネルギーに完全に頼ることの課題、つまり分布の不均等性、効率の低さ、エネルギーの効果的な貯蔵と輸送の必要性などを検討します。これらの制限があるにもかかわらず、現代の太陽技術を用いて世界全体を電力化することが可能であり、太陽電池はより効率的で安価になっています。

太陽パネルが太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する方法

地球は173,000テラワットの太陽エネルギーを受け取ります。これは、地球上の人口が使用するエネルギーの10,000倍に相当します。太陽パネルは、一般的にシリコンから作られた小さなユニットである太陽電池から構成されています。シリコンは、地球上で2番目に豊富な元素である半導体です。各シリコン原子は、4つの強い結合によって隣接する原子に接続され、電流が流れないように電子を保持します。

シリコン太陽電池は、2つの異なるシリコン層、つまり余分な電子を持つN型シリコンと、電子の空きスペースであるホールを持つP型シリコンを使用します。2種類のシリコンが接触する場所では、電子はP-N接合を横断して、片側に正の電荷を残し、他方に負の電荷を作り出します。

光は、太陽から飛び出した微小な粒子である光子の流れと考えることができます。これらの光子のうち、十分なエネルギーを持っているものがシリコンセルに衝突すると、結合から電子を外すことができ、ホールを残します。負の電荷を帯びた電子と、正の電荷を持つホールの位置は、自由に移動することができます。しかし、P-N接合にある電界のため、それらは一方向にしか移動しません。電子はN側に引き寄せられ、ホールはP側に引き寄せられます。

移動可能な電子は、セルの上部にある薄い金属の指によって収集されます。そこから、外部回路を通って流れ、電球のような電気作業を行い、背面の導電性アルミニウムシートを通って戻ります。各シリコンセルは半ボルトしか出力しませんが、モジュールに繋げることでより多くの電力を得ることができます。

太陽エネルギーに完全に頼ることの課題

太陽エネルギーは、地球上で不均等に分布しており、一部の地域が他の地域よりも日照時間が長いです。また、曇った日や夜間には太陽エネルギーが少なくなります。太陽エネルギーに完全に頼るためには、日照が豊富な場所から日照が少ない場所に電気を効率的に送る方法や、エネルギーの効果的な貯蔵が必要です。

セル自体の効率も課題です。太陽光が反射された場合、または電子が回路を通る前にホールに戻ってしまった場合、その光子のエネルギーは失われます。現在最も効率的な太陽電池でも、利用可能な太陽光の46%しか電気に変換できず、ほとんどの商用システムは現在15%から20%の効率しかありません。

太陽技術を用いて世界全体を電力化する可能性

これらの制限があるにもかかわらず、現代の太陽技術を用いて世界全体を電力化することが可能です。ただし、そのためにはインフラの建設に必要な資金と、数万から数十万平方マイルに及ぶスペースが必要です。サハラ砂漠だけでも、面積が300万平方マイル以上あります。

太陽電池は、より効率的で安価になっており、浮遊式太陽発電所のような革新が景観を変える可能性があります。十分な電力グリッドにアクセスできない10億人以上の人々、特に日照時間が長い開発途上国では、太陽エネルギーはすでに石油ランプなどの利用可能な代替品よりもはるかに安価で安全です。しかし、フィンランドやシアトルのような場所では、効果的な太陽エネルギーはまだ少し先になるかもしれません。