宇宙ひもを利用した
タイムマシン
「ワームホール」とは、時空のある一点から別の離れた一点へと直結する空間領域でトンネルのような抜け道であり、入口も出口も私たちの宇宙なら、ワームホールは2地点を時間ゼロで結ぶ近道になる。そこでワームホールの一方の口を地球に置き、もう一方の口をロケットに置いて、そのロケットを光速に近い速さで宇宙旅行をすると、ロケットが地球に戻ってきたときに2つの口の間には時間差 (以下の例では地球は4時で、ロケットは2時) ができることになり、4時の地球の人が2時のロケットにあるワームホールの口へ行きその中に飛び込めば、その人は2時の地球に出るすなわち過去に旅したことになる、というものだ。
このタイムマシンの仮定を整理すると、(1) ワームホールが存在して、(2) そのワームホールが通過可能で、(3) 人がワームホールを通過可能で、(4) ワームホールを都合のいい場所につくれて、
(5) ワームホールの一方の口を光速近くで動かせて、(6) タイムトラベラーが別ルートで同じ場所に戻れれば、タイムトラベルが可能となる。
但しこれはワームホールで旅行をはじめた時(2時)までしか遡れないし、そもそもワームホールがまだ見つかっていない。
、、
☆天文物理学者のスティーブン・ホーキング氏は、人類は宇宙空間の研究を積極的に行うべきとの見方を示し、
これからの1000年に人類が地球を捨てなかった場合、絶滅の恐れがあるとの見方を示した。
☆ホーキング氏は奇想天外なワームホールの新理論を発表している。現在と過去の橋渡しではなく、
我々の宇宙と無数の平行宇宙との通路としてワームホールが使えると言っている。(「超空間」ミチオ・カク著より)
nasa ハッブル宇宙望遠鏡 写真
相対性理論における時間と宇宙の誕生 タイムマシン
http://www.um.u-tokyo.ac.jp/publish_db/2006jiku_design/satou.html#003
ワームホール日本特許出願
テレポーテーション日本特許出願
タイムマシン瞬間移動日本特許出願
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江守孝三
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東大:完全な量子テレポーテーションに成功 、
【衝撃】 東大が開発した量子コンピュータが凄すぎる!! 、
古澤明氏
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ミチオ・カク博士は 早い時代からタイム・トラベル学や超ひも理論 テレポーテーション学など最先端を行く量子科学( 量子力学や量子物理学とは異なり量子科学は物質現象と心との関係を解明した新しい学問分野 )者として知られています
物理学の発展を背景に、この15年ほどで脳と心、意識とは何かについての理解が急速に進んだ。今後は日々の記憶や仕事のノウハウを互いに送りあったり、
人間の人格そのものだと考えられる
ヒトコネクトーム“神経回路の全体図”
をデータとして送信できたりするようになると考えられる。
すると宇宙旅行もレーザービームに人間の意識を乗せ、光の速さで行うことが可能になる。
白熱教室
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研究内容 、
ハイブリッド量子テレポーテーション 、
論文・解説 、
TOPICS 、
古澤研究室では量子光学的手法を用いた量子情報物理の研究をしています。中心的課題は「量子テレポーテーション」です。
量子テレポーテーションとは、波動関数を伝送することですが、普通の「古典的」な方法では不可能です。波動関数を規定するには共役物理量の同時確定が必要ですが、これは量子力学の根幹である不確定性原理に矛盾するからです。量子テレポーテーションでは、EPR(アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼン)相関のある光を用いて、この不確定性の壁を回避しています。また、EPR相関は量子コンピューターの「心臓」であることから、量子テレポーテーションの研究は量子コンピューターの研究であるともいえます。
古澤氏らはこの量子テレポーテーション実験に世界で初めて成功し、さらなる高性能化を目指しています。この実験は世界的に注目されており、マイケル・クライトンのSF小説「タイムライン」にも取り上げられました。
図: ハイブリッド量子テレポーテーションの概念図。
単一光子ベースの量子ビットと、光の波の状態を転送する連続量量子テレポーテーションを組み合わせる。
量子テレポーテーションと量子コンピューター
量子力学のパイオニア・古澤明氏に聞く
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参考文献
[1] C. H. Bennett et al., Physical Review Letters 70, 1895 (1993).
[2] D. Bouwmeester et al., Nature, 390, 575 (1997).
[3] S. L. Braunstein and H. J. Kimble, Nature 394, 840 (1998).
[4] S. Takeda et al., Nature 500, 315 (2013).
[5] L. Vaidman, Physical Review A 49, 1473 (1994).
[6] S. L. Braunstein and H. J. Kimble, Physical Review Letters 80, 869 (1998).
[7] A. Furusawa et al., Science 282, 706 (1998).
[8] N. Lee et al., Science 332, 330 (2011).
[9] S. Takeda et al., Physical Review A 87, 043803 (2013).
[10] S. Takeda et al., Physical Review A 88, 042327 (2013).
量子テレポーテーション
光子(光の粒子)に乗せた情報を瞬時に他の場所へ転送する技術。物理的に離れた二つの粒子が互いに影響を及ぼしあう「量子もつれ」と呼ばれる物理現象を利用して情報の転送を行うもので、
SFに登場する大きな物質の瞬間移動とは異なる。1997年にオーストリアの研究者によって実証されたが、この時の手法は転送効率が悪く、受け取った情報の転用もできないなど、実用化に向けた大きな課題があった。2013年、
東京大学の
古澤明氏 ら研究チームが、
従来の欠点を克服した
完全な「量子テレポーテーション」
に世界で初めて成功。超高速の処理性能を持つ「量子コンピュータ」の基本技術になると期待されている。
中国の科学者が史上初めて宇宙へのテレポートに成功したそうだ。
実験で行われたのは、光子を地球のはるか上空へ転送するというもの。
物体を物理的に上昇させるのではなく、アインシュタインが「不気味な遠隔作用」と述べた量子もつれの奇妙な効果を利用したものだ。
つまり光子についての情報を宇宙の別のポイントへと転送し、物体の忠実な複製を作り出すのである。
■ 長距離間での量子テレポートは史上初
長距離間でこの効果が実験されたのは史上初ことだ。
量子もつれは距離による制約を受けない。
つまり2つの粒子はとんでもない長距離であっても相互に作用することができる。
したがって、これまで実現不可能だったスピードでネットワークを構築する量子インターネットなど、さまざまな分野での応用が考えられる。
これまで情報を伝達するケーブルや信号の問題で、量子テレポーテーションは短距離においてしか実験されてこなかった。
今回は地上から人工衛星への転送実験が行われ、実用化されたテレポーテーションの姿らしきものが示された。
つまり物体を宇宙へ送信し、再び地上へ送り返すのだ。
ある地点からある地点へと送信するには、この経路が比較的クリアなのだという。
「この業績は、世界初となる信頼性の高い超長距離量子テレポーテーション用地上衛星間リンクを確立させる。
世界規模で量子インターネットを実現するには必要不可欠なステップである」と論文で論じられている。
実験に使われた衛星は昨年ゴビ砂漠から打ち上げられた中国の通信衛星「墨子」だ。
地上から光子を宇宙へ送信すると、墨子がそれを捕捉。地上の実験チームは光子を使って地球の上空に浮かぶ衛星と通信できるかどうか実験した。
量子コンピュータ授業 #1 、
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宇宙量子科学(1) 、
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Time Travel 学 (1) 、
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説明 ミチオ・カク博士は 早い時代からタイム・トラベル学や超ひも理論 テレポーテーション学など最先端を行く量子科学( 量子力学や量子物理学とは異なり量子科学は物質現象と心との関係を解明した新しい学問分野です )者として知られています
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出願番号
:
特許出願2013-104030
出願日
:
2013年5月16日
公開番号
:
特許公開2013-254201
公開日
:
2013年12月19日
出願人
:
株式会社東芝
発明者
:
リチャード・マーク・スティーブンソン 外4名
発明の名称
:
量子テレポーテーション のためのシステム及び方法
特許公開2013-254201 前頁.PDF
要約:
【課題】入力光子の量子状態の量子テレポーテーション のためのシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】偏光エンタングルメント光子対を生成発光ダイオード1と、光子対の一方の光子を第1の、他方を第2の経路に沿って、
導くビームスプリッタと、入力光子のための入力と、第1の経路の光子対の一方の光子と入力光子に対して合同測定を実行する測定部9と、
第1の遅延を測定するように構成される計時部であって、第1の遅延は、入力光子とエンタングルメント光子対の光子が合同測定部を通過するときの、
入力光子と光子対の光子との間の遅延であり、第2の遅延は発光ダイオードを出るときの2つの光子間の遅延時間である、計時部と、
第1の遅延が第1の所定のタイミングウィンドウ内にあり、かつ、第2の遅延が第2の所定のタイミングウィンドウ内にある場合に、
テレポーテーション測定が有効であることを決定するコントローラと、を具備する。
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東芝、ビル・ゲイツ氏と次世代原子炉開発を検討
米ロッキード、10年以内に小型核融合炉実用化へ
極超小型核融合炉
小型の次世代原子炉「TWR(Traveling-Wave Reactor)
ガンダム、鉄腕アトム、ロボットの世界において超小型核融合炉が可能となるか。
江守孝三
米航空防衛機器大手ロッキード・マーチンは、核融合エネルギー装置の開発において技術面の画期的進展(ブレークスルー)があり、10年以内にトラックに搭載可能な小型の核融合炉を実用化できると発表した。
開発チームを率いるトム・マクガイア氏は記者団に対して、これまでの作業を通じて出力が100メガワット(MW)で、現在存在するものより約10倍小さく大型トラックの後部に入れられるほどの核融合炉が製造できるめどが立ったと説明した。
ロッキードは、1年ほどで設計やテストなどを終えて5年以内に試作品を作り、10年で実用の核融合炉を生産できるはずだとの見通しを示した。
核融合エネルギーは科学者がずっと有望な分野とみなしてきたが、現在まで実用可能な動力システムは生み出されていない。
ロッキードによると、小型の核融合炉は、重水素(デュートリウム)と三重水素(トリチウム)の融合反応を利用したもので、同量の化石燃料の約1000万倍ものエネルギーを生み出せるため、石炭火力発電よりもずっとエネルギー効率が高まる。また将来的には別の物質を使って、放射性廃棄物を完全になくせる可能性もあるという。
マクガイア氏は、ロッキードが開発に関していくつかの特許を申請中であるとともに、学界や産業界、政府の研究者などを対象に今後の協力相手を探していることも明らかにした。
小型核融合炉は、この先米海軍艦艇が使える可能性があり、そうなれば他の燃料がいらなくなって補給面の課題が解消できる。米海軍では潜水艦や航空母艦が核動力式となっているが、搭載しているのは核分裂反応を利用した大型原子炉で、定期的な交換が必要だ。
【最新情報】
これは宇宙人技術!?米ロッキードが完成させたとんでもない科学技術の正体とは?
東芝、ビル・ゲイツ氏と次世代原子炉開発を検討
東芝(Toshiba)は23日、米ソフトウエア大手マイクロソフト(Microsoft)創業者のビル・ゲイツ(Bill Gates)氏の出資する米原子力ベンチャー「テラパワー(TerraPower)」と、次世代小型原子炉を共同開発することについて検討を開始したと発表した。
日本経済新聞によると、この小型の次世代原子炉は「TWR(Traveling-Wave Reactor)」と呼ばれ、燃料に劣化ウランを使用する。現行の軽水炉が数年ごとに燃料交換が必要なのに対して、TWRは燃料交換なしに最長100年間の発電が可能だという。
東芝、ビル・ゲイツ氏と次世代原子炉開発を検討
進行波炉(Traveling Wave Reactor)
主な特徴
1.劣化ウラン(U238)を燃料とすることが可能なので、従来は核燃料を精製する際に廃棄物として捨てられていた副産物を燃料とできる。廃棄物は世界中に大量に貯蔵されているので燃料には困らない。
2.核分裂性物質(U235)が必要なのは点火時のみ。
3.一旦燃料に点火すれば、燃料供給も、使用済み燃料の除去もなしで50~100年(理論上は無限に)動き続けることができる。
4.核燃料の精製施設、再処理施設が不要
5.ウラン濃縮が不要なため核兵器の拡散を防げる
テラパワー(TerraPower)【進行波炉(Traveling Wave Reactor)】
Bill Gates Talks
About the Future of Energy
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Bill Gates Talks
About the Future of Energy (YouTube)
極超小型核融合炉(YouTube)
超小型核融合炉(ガンダムのエネルギー源)
ガンダムの話を語る上でひそかに欠かせないのがエネルギー源の話です。
あまり、表には出てきませんが、モビルスーツやビーム兵器、コロニーなどのエネルギーは膨大なものです。
この無尽蔵というよりも、無節操なほどの膨大なエネルギー源は何処からきているのかと言えば、二つのエネルギー源があります。
太陽光線と超小型核融合炉です。
核融合とは、水素を始めとした軽い原子核間の反応で、より重い原子核になるという現象であることは言うまでもありません。
そのエネルギー量は太陽を例に取れば十分理解いただけるでしょう。
超小型核融合炉とは、小さな太陽を得たも同意なのです。
現在、残念ながら核融合は水爆と呼ばれる核兵器にしか使用されていませんが、これは、膨大なエネルギーを制御できないからであり、もし、このエネルギーが制御することが出来るなら、まさしく夢のようなエネルギー源となるわけです。
なぜ、ガンダムの世界において超小型核融合炉が可能になったというと、ミノフスキー粒子の存在です。
ミノフスキー粒子はマイクロ波から超長波に及ぶすべての電磁波を著しく減退させるため、ミノフスキー粒子の不可視フィールドを作ってしまえば、内部のプラズマの安定や放射線の遮断が可能になるわけです。
そうした技術により超小型核融合炉が可能となったわけです。
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日本原子力研究開発機構の高温ガス炉(HTTR・熱出力3万キロワット)が、高い安全性と利便性を評価され、国内外で熱い視線を集めているのだ
何しろ、配管破断で冷却材を喪失しても、電源を失っても炉心溶融などの過酷事故には至らないのだからすごい。固有安全性を備えている原子炉は自然に冷温停止してしまう。
その上、運転に水を全く必要としないので、内陸部にも建設可能。だから津波で被災する心配もない。砂漠に建設しても運転できる。
発電だけでなく水素製造や製鉄にも使える。多用途の原子炉として国際的に注目度が高い。この理想の原子炉の卵は1998年の完成後、鳴かず飛ばずとなっていたのだが、4月に国の「エネルギー基本計画」に組み込まれるなど、にわかに正当な処遇を得た形だ。
超高温原子炉 (ちょうこうおんげんしろ、 : Very High Temperature Reactor,VHTR )は、1000度近い高温状態で発電を行う第4世代原子炉 。ヘリウム を一次冷却材として使う方式が、最も開発が先行して実証炉段階にあるために高温ガス炉 として知られているが、他に溶融塩原子炉 または鉛冷却高速炉 の超高温炉も研究されている。この原子炉は発生熱の出口部分で600 - 1000度近い高温が可能である。熱効率の高いガスタービン複合発電が可能で、ガスタービン原子炉 として知られている。また高温ゆえ、原子力水素製造・原子力石炭液化・原子力製鉄などの工業熱源に使用可能で化石燃料枯渇後の工業熱源として期待されており、熱電併給により揚水発電を不要にできる。そして、冷媒が水でないため水素/水蒸気爆発しにくいなど、従来の軽水炉 の欠点の多くを改善・一新する新世代炉である。
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夢のクリーンエネルギー
原子力発電よりも安全かつ安価
究極のエネルギー源 「人工太陽」 世界1位の核融合技術を駆使
プラズマ熱核融合発電
重水素と三重水素(トリチウム)を使用し莫大な熱エネルギーを発生させる。
江守孝三(Emori Kozo)
江守孝三
引用文献(1) 日本が核融合発電を本格スタート 、
引用文献(2) プラズマ熱核融合 発電 の画像検索
文献(3) 核融合炉 、
文献(4) 核融合エネルギー 、
文献(5) プラズマ 核融合
「核融合発電」は重水素と三重水素(トリチウム)を使用し、莫大な熱エネルギーを発生させる。原子力発電よりも安全かつ安価に大量の電力を供給できると言われている。
(日本が核融合発電を本格スタート、180円の水素から石油8000リッターのエネルギー抽出)
究極のエネルギー源 「人工太陽」 世界1位の核融合技術を駆使、核融合発電所を建設開始/茨城
大陽のエネルギー源である核融合。この“究極のエネルギー”の実用化に向け、日本原子力研究開発機構の
那珂核融合研究所(茨城県那珂市)で、最新の研究装置「JT―60SA」の組立作業が本格的に始まった。
核融合を人工的に起こしやすいのは、重水素と三重水素の反応で、この場合燃料1グラムに対して石油8トン分のエネルギーが得られる。
100万キロワットの発電所を1年間運転するために必要な燃料は200キロ。火力発電で同じ発電量を得るには130万トンの石油が必要だ。
日刊工業新聞 2013/4/3 http://www.nikkan.co.jp/news/nkx1520130403afaf.html
画像
核融合炉 -
三菱重工業-国際熱核融合実験炉(ITER) 三菱重工業は、フランス南部で建設が進む国際熱核融合実験炉(ITER)の中核機器であるトロイダル磁場コイル2基を195億円で受注したと発表した。昨年に1基を160億円で受注しており、合わせて355億円の事業となる。(2013.10.10)
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夢のクリーンエネルギー
常温で水素エネルギーの大量貯蔵輸送技術が安全可能となった。
水素エネルギー(水素燃料電池)
・海水を燃料に変える「燃料自己生産」技術の開発に成功(米海軍)
・世界初の「水素発電所」を東京湾岸に建設(千代田化工建設)
・水素1回の注入で650キロ走行する水素燃料電池車(マツダ・トヨタ)
江守孝三(Emori Kozo)
江守孝三
・世界初の「水素発電所」を東京湾岸に建設、2015年に90MWで商用化へ
次世代のクリーンエネルギーとして注目を集める「水素」の商用プロジェクトが本格的に始まる。川崎市と千代田化工建設が2015年をメドに、東京湾岸に「水素供給グリッド」を構築するのと合わせて、世界で初めて商用レベルの「水素発電所」を建設する構想を打ち出した。
水素エネルギーの大量貯蔵輸送技術が安全可能となった。 - 千代田化工建設
世界初の「水素発電所」 - 千代田化工建設
世界初の「水素発電所」 - 他社
水素発電所(google検索)
Hydride Method)は,トルエンなどの芳香族の水素化反応に. よって,メチルシクロヘキサン(MCH)などの飽和環状化合. 物として水素を固定し,
常温・常圧の液体状態で貯蔵輸送. をおこない,脱水素反応で水素を取り出して利用する開発(脱水素触媒開発)。
・水素1回の注入で650キロ走行する水素自動車(水素燃料電池車)
水素ロータリーエンジンは、マツダ独自のロータリーエンジンをベースに、燃料に水素を使えるようにすることで、CO2排出量ゼロの優れた環境性能を持たせた独自のエンジンです。
水素使用に伴うエンジンの変更がわずかなため、比較的低コストで水素エネルギー車を実現できます。また、デュアルフューエルシステムによってガソリンでも走行できるため、長距離移動や水素燃料の供給施設がない地域でのドライブでも、高い利便性を発揮します。
(マツダ水素燃料電池車) 、
2015年に発売予定の水素燃料電池車のトヨタ試作車は、中型のセダンタイプで、1回の水素注入で約650キロ・メートル走行できる。ほぼ同じ走行性能で市場に投入される。
(トヨタ 水素燃料電池車) 、
九州大学など 燃料電池向け貴金属フリー触媒を開発
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九州大学
九州大学、総合科学研究機構(CROSS)、茨城大学の研究グループは2013年2月6日、常温常圧で水素から電子を取り出す、新しいニッケル-鉄触媒を開発したと発表した。安価な鉄を使用しており、高価な白金を使用しない燃料電池の開発が期待できる。
従来、燃料電池の触媒には白金(5000円/g)やルテニウム(240円/g)など高価な貴金属を使用していたが、今回、自然界に存在する水素活性化酵素「ニッケル-鉄ヒドロナーゼ」をモデルとして、安価な鉄(0.06円/g)を使用した人工触媒を開発した。
研究成果により安価な燃料電池の開発が可能となり、水素エネルギー利用技術の発展が期待できるとしている。 関連のJFS記事:
ダイハツ、CO2も出さず貴金属も使わない燃料電池の基礎技術を開発
・海水が「燃料」に・・・米海軍が技術開発に成功、10年後の軍艦は「燃料自己生産」か
中国メディアは、ドイツメディアの報道を引用し、米軍が海水を燃料に変える技術の開発に成功したと報じた。記事は、「海水燃料の大量生産にはまだ時間が必要とみられるが、軍艦の燃料供給に革命的な変化をもたらす可能性が高い」と論じた。
報道によれば、米軍の依頼を受けた科学者らは、海水から二酸化炭素と水素を抽出する方法を開発した。海水中の二酸化炭素濃度は空気中の約140倍に達し、海水から抽出した二酸化炭素と水素は浄化装置によって液体燃料に変化する。この液体燃料はディーゼルオイルとほとんど変わらないものだという。
海水を燃料に変える研究に携わっている科学者は、「工業規模での燃料生産が次の目標」と述べ、「海水から燃料を生産することが可能であることは証明された。次にすべきことは生産効率を改善することだ」と語った。
報道によれば、米海軍はすでに海水から生産した燃料でテスト型の航空機を飛行させることにも成功しており、今後10年ほどで米軍艦が艦内で燃料を生産し、航行できるようになる見通しだという。(編集担当:村山健二)(イメージ写真提供)
発電効率が80%を超える燃料電池、水素イオンで実現へ
現在の燃料電池の発電効率は60%程度が最高水準だが、それをはるかに上回る“超高効率”の燃料電池の原理を東京ガスと九州大学が共同で開発した。発電に必要なイオンの移動物質を従来の酸素から水素に置き換えて、多段階で化学反応を起こすことにより、電力の発生効率が大幅に向上する。
図2 発電効率80%超を実現するSOFCの仕組み(画像をクリックすると拡大)。出典:東京ガス、九州大学 共同研究チームは水素イオンを移動させることによって電力の発生効率が向上するメカニズムを発見した。燃料電池を2段構成にして、それぞれで燃料の組成を最適化すると、発電効率を80%以上に高めることが可能になる(図2
世界&日本の水素戦略(前半)
(後半) 、
水素エネルギーYouTube
水素エネルギー(検索) 、
安価な触媒開発が急務-白金-(検索) 、
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室温で、水素原子の核融合反応が起きる現象
常温核融合 【常温核融合・凝集系核科学・固体内核反応 ・核変換】 「核変換」はすでに再現可能になっている
江守孝三(Emori Kozo)
江守孝三
①重水素(D)起源のヘリウム(Z)を灰とするクリーンな核融合 ②放射能の非常に少ない核変換
世界のエネルギー需要の近未来予測の簡単なまとめ 世界の持続的発展にはエネルギーがカギ
・石油:あと50-60年(CO2地球温暖化) ・太陽・風力:需要の10%供給が限界 ・ウラン(235)原子力:あと50-60年、危険(東日本大震災-福島原発-) ・FBR(Pu)利用:500年は可能 ・(中国・インド台頭) ・(核廃棄物処理が問題) ・核融合炉:発電炉実現は30年以上先 ・分散型クリーンエネルギー源が理想
(動画)http://www.youtube.com/watch?v=vQjOAsIrGa8
(動画)http://www.youtube.com/watch?v=_zbGA2bDpys
常温核融合 成功 [検索]
常温核融合 (じょうおんかくゆうごう、Cold Fusion)とは、室温で、水素 原子の核融合 反応が起きるとされる現象。もしくは1989年にこれを観測したとする発表にまつわる社会現象。実際にはきわめて低い頻度ながら、常温でもトンネル効果 や宇宙線 に含まれるミューオン によって水素原子の核融合反応は起き、観測もできる。しかしながら、本項目で扱う現象は、核融合反応が常温ながら目視できる規模で発生したと主張されていた。
概要 1989年にイギリス・サウサンプトン大学のマルチン・フライシュマン教授とアメリカ・ユタ大学のスタン・ポンス教授が、偶発的にこの現象を発見したと発表された。その後の追試で、同じ結果が得られないことや核融合反応で発生する中性子 が観測されないことから、2006年現在では、測定誤りによる誤認であったと考えられている。 この発表に於いてマルチン・フライシュマン教授とスタン・ポンス教授は、重水 を満たした試験管(ガラス容器)に、パラジウム とプラチナ の電極を入れ暫らく放置、電流を流したところ、電解熱以上の発熱(電極の金属が一部溶解したとも伝えられた)が得られ、核融合の際に生じたと思われるトリチウム 、中性子 、ガンマ線 を検出したとしている。
波及現象 現代の物理学理論では水素原子 の核融合反応 を起こすには、極度の高温と高圧が必要であり、室温程度の温度で目視できるほどの核融合反応が起きるとは考えられていなかった。
背景 しかし前年に、絶対零度 に近い低温でしか起きないとされていた超伝導 が、それまでの理論 の予言からは説明のつかない高温で起こると言う高温超伝導現象 が発見されて世界的なブームが起きていたことや、フライシュマンがイギリスの電気化学の大家であったことから、従来の物理理論以外での新しい現象が発見されたのではないかとみなされた。
追試結果と結末 このため多くの科学者が追試を行ない、様々な仮説も立てられ、これがマスメディア上にまで流布される騒ぎとなった。追試を行ったグループの一部はフライシュマンらと同等あるいはそれ以上の結果を得たと報告したことも、フィーバーに拍車をかけることになった。しかしながら、実施された追試の多くの場合には核融合反応や入力以上のエネルギー発生が観測できなかった事から、現在では電気分解反応で生じた発熱量の測定を誤ったのではないかと考えられている。事件の背後には、別の観点からミューオン核融合を研究していたブリガムヤング大学のジョーンズ教授との研究の先取権争いや、研究資金の獲得競争、化学者と物理学者の対立、マスコミの暴走、ユタ州とユタ大学の財政難を解消するための大学当局の政治的策謀など、様々な要因が挙げられている。 しかしその一方で、固体(金属など)の中で重水素が、全く別の意味で核融合している現象であると考え、固体内核反応として多くの研究者によって研究は続けられている。なおこの現象においては、熱核融合反応とは違い、熱エネルギーの抽出は困難と考えられている。
日本の悲願 一方、日本では1960年代~1970年代の高度経済成長期より、電力需要の増大に伴う海外へのエネルギー依存度は高まる一方で、1960年代にほぼ成長の止まった水力発電に替わり、1970年代以降には原子力発電 へと切り替えられていった。しかし、戦時兵器としての核攻撃 を人類史上初めて受けた日本にあって、社会の放射能 アレルギー(核分裂アレルギーとも)は根強い。 だが、1980年代以降の日本における家電製品の普及は著しく、電力需要は急拡大した。原子炉設置も候補地選びに難航する状況にあって、代行可能な国内調達による、電源としてのエネルギー源は長年の悲願とされている。 日本では周囲を海に囲まれており、核融合の有力な燃料と目されている重水素 が海水から幾らでも回収ができ、エネルギー自給自足が悲願である日本の核融合開発研究は(水素爆弾 の開発を除けば)世界でもトップクラスである。しかしそれでも入力エネルギーと出力エネルギーの差を実用発電レベルの実験で縮小するには至らず、世界最高水準の点火レーザー 発振器を持ちながらも、実用化には高いハードルが幾つもあるのが現状である。 その日本で、この「お手軽に、中学校の実験室設備並な所で、しかも電極が溶解する程の熱量が発生する」という核融合の可能性に飛び付かないはずもなく、当時の科学技術庁(現文部科学省)肝いりによる研究計画もスタート、多額の補助金を受けた研究者が実験に参加した。 ところが、この事件が世界的に単なる大学内スキャンダルとして、または疑似科学 扱いされると、1990年代中頃には関係者の大半が研究を諦める事態となった。だが、その後幾つかの現象が観測され、また様々な推論による論理が発表されたことにより、別の物理現象として注目する研究者もあり、現在に至るまで「固体内核反応」として、多数の研究者による研究が続けられている。 しかし1999年前後に幾つかの実験に基づく理論の発表が行われた後は、2006年現在に到るまで、同現象発見当初に起こったような目立った動きは無い。
参考文献
J.R.ホイジンガ著、青木薫訳『常温核融合の真実 今世紀最大の科学スキャンダル』化学同人、1995年1月、ISBN
4759802738
ガリー・A. トーブス著、渡辺正訳『常温核融合スキャンダル―迷走科学の顛末』朝日新聞、1993年12月、ISBN
4022567074
水野忠彦、「核変換?常温核融合の真実」、1997年、工学社 ISBN-13: 978-4875932147
Mallove, Eugene. Fire from Ice: Searching for the Truth Behind the
Cold Fusion Furor. Concord, N.H.: Infinite Energy Press, 1991. ISBN
1-892925-02-8
Beaudette, Charles. Excess Heat: Why Cold Fusion Research Prevailed,
2nd. Ed. South Bristol, ME, Oak Grove Press, 2002. ISBN
0-9678548-3-0
Kozima, Hideo. The Science of the Cold Fusion phenomenon, Elsevier
Science, 2006. ISBN
0-08-045110-1 .
Storms, E., The Science Of Low Energy Nuclear Reaction. 2007: World
Scientific Publishing Company. ISBN-13: 9789812706201
外部リンク
Japan CF-rearch
Society
三菱重工業株式会社 先進技術研究センター:製品技術 - 元素の種類が変化する新現象の研究
LENR-CANR.org - 常温核融合に関する500本以上の論文を掲載。
「常温核融合プロジェクト」 - 北海道大学院工学研究科量子エネルギー 水野忠彦(PDF形式)
「未来を築く常温核融合」 ジェト・ロスウェル。アーサー・C・クラーク推薦。186ページの電子ブック。
HotWired Japan - 「UCLAで常温核融合成功、ただし発生エネルギーは少量」
関連事項 ・科学的方法
・プロトサイエンス
・疑似科学
・元素変換
・N線
・ポリウォーター
・セレンディピティ ・常温核融合[Google] ・常温核融合[百科事典] ・常温核融合国際会議 ・固体内核反応研究[Google] ・核変換[Google] ・凝集系核科学国際学会[Google] ・水野忠彦[Google] ・高橋 亮人 [Google] パラジウムと同質合金、京大開発 燃料電池応用も (2011/05/21
16:51 【共同通信】)
核融合反応の基本原理 ヘリウム原子は陽子2個と中性子2個で構成されており、その質量数4.0015uである。陽子と中性子の質量はそれぞれ1.0073u、1.0087uであるから、これらの総和は(1.0073×2+1.0087×2)u=4.0320uである。一方ヘリウムの質量はこれよりも(14.0320-4.0015)u=0.0305uだけ小さい。これを質量欠損といい、アインシュタインの相対性理論によりE=mc^2のエネルギーが発生する。
実際の核融合反応では重水素が用いられている。重水素二つを強引に融合させてヘリウムを作るわけです。実際の過程ではまず、重水素と重水素が反応しトリチウムと水素ができ、次にトリチウムと重水素が反応してヘリウムと中性子ができます。したがって、核融合反応が生じているかどうかを確認するには、中性子かもしくはトリチウムが生成されているかどうかを確認すればいいわけです。
(注:u=原子質量単位 1.661×10^-27kg)
水素と重水素、トリチウム、ヘリウムの構造はFIG.1.のようになっている。 FIG.1
常温核融合のキーワード ・イオン化傾向 「金属と陰イオンの電子を与える傾向。つまり水に溶けやすさ」
Na>Mg>Al>(H2 +OH- )>Zn>S2- >(Fe→Fe2+ )>Ni>Pb>
H2 >Cu>OH- >I- >(Fe2+
→Fe3+ )>Ag>Br- >H2 O>Cl- >Au
「陽イオン」 K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>(H)>Cu>Hg>Ag>Pt>Au
「陰イオン」 NO3>SO4> (OH)> Cl> Br> I ターフェルの式
水素の過電圧
高橋 亮人 著 2006年 3月25日発売
A5判 184ページ 価格 \2,415(本体 \2,300)
ISBN978-4-7775-1208-9
C3042 \2300E
「核変換」はすでに100%再現可能になっている!
常温核融合は、“夢のクリーン核エネルギー”の発見として、1989~1990年に科学界とマスコミを賑わせました。しかし、再現性の悪さなどから、1994年ごろには世の中から忘れられかけました。しかし、その後も、日本で約50人、世界でも300人が、アメリカ、ロシア、イタリア、中国などで研究を続け、ついに、2004年3月には、イギリス登録の正規学会「凝集系核科学国際学会」(ISCMNS)が発足し、研究者コミュニティーは正式の学会を持つことになりました。この間に、三菱重工の岩村らの「選択的 核変換」実験データの発表、過剰熱時の「ヘリウム」発生の明確な検出が、荒田、マックーブルなどによって報告されるなど、明確な実験データの集積が進みました。一方、理論モデルによる説明も、著者らの「正四面体凝縮によるクラスター核融合モデル」、ハーゲルシュタインやチュブ=チュブによる「コヒーレント核融合モデル」などの展開があり、既存の物理理論と矛盾しない新しい理論モデルの構築が見えてきました。また、起こっている物理現象のカテゴリーも、当初考えられた「低温」核融合とは異なる物理メカニズムであることが認識されるようになりました。
本書では、当分野の第一人者が、「常温核融合」とその発展系である「凝集系核科学」の最新の研究状況を報告するとともに、著者らの理論を詳しく解説します。
■ 主な内容 ■
2-2 最近の研究のまとめ
2.2.1
金属重水素系での過剰熱とHe-4発生
2.2.2
「金属重水素系」での「核変換」
2.2.3
金属軽水素系での過剰熱・核変換
2.2.4
再現性と条件
2.2.5
秩序ある核反応の理論(強い相互作用)
2.2.6
秩序ある「弱い相互作用」によるトリガー反応理論
2.2.7
その他の理論
2.2.8
基礎過程実験研究
3-1 分布型クリーン核エネルギー源
3-2 核変換・核分裂の消滅処理への応用性
4-1 「過剰熱」と「ヘリウム4(He-4)生成」
4-2 「核変換」セッション
4-3 核物理的実験のセッション
4-4 材料条件セッション
参考文献
1 基礎理論
2 具体例:EQPET/TSCモデル
参考文献
太陽光発電
日本の食糧・エネルギーは完全自給自足の方向に向けなければいけません。
そのために稲作(田畑)用地を太陽光発電などに使用してはならない、他の方法でもぜひ考えるべきでしょう太陽光発電容量はすごく少ないですよ。
孫氏や地方自治体、商社、政府はこのことに十分配慮してほしいものです。
また、カルタゴの悲劇が日本に降り掛からなくするためにも日本独自の開発をおこない、強い日本にしてほしいものです。
(今日の韓・中・露・欧米諸国の反応は、ローマ帝国時の仕打ちを想起させる。
マスコミの多くは日本人でありながら反日宣伝に明け暮れれている一部の政党・政治家も同じだ。
(カルタゴの滅亡)
また、
1995年1月17日 阪神大震災 (村山内閣・社会党連立、河野洋平外務大臣)
2011年(平成23年)3月11日 東日本大震災 (菅内閣・民主党)
巨大地震・大津波の大災害当時の首相は、振り返れば両災害とも反日的で日本のカルタゴの滅亡を促進させるような首相・政党であったのでは、
不思議なものだ 《悪い政治には》 天が罰を与えるのだろうか!。 )
トリウム原発 「トリウム熔融塩炉」 中国が独占意欲「トリウム原発」 とは 米国はしたたかに“潜行”、日本の出遅れ感は大きい
小型トリウム溶融塩炉
http://www.youtube.com/embed/b-SlUW6w5zk
http://www.youtube.com/embed/a4WZuR0eiWQ
http://www.youtube.com/embed/dGatvG9WMz4
トリウム原発の方が安全だと言う話が圧倒的に多いんですが 圧倒的にお安くて御徳なのに、なぜ普及しないのかと言えば、
高価で核兵器の誘惑から金に糸目を付けずに買いたがる国が 多いウラン原発には、莫大な儲けが有るからなんです。
建設するにも危険ですから過度の安全装置や余計な機材を いやと言うほど取り付ける必要が有り、何兆円という膨大な ビジネスになります。
非常に残念ですが世の中は、全てお金が物を言うんですよね。 トリウム原発よりも更に安くて100%安全なマグネシウム発電と
言うのが有るんですが、これこそ人類を救う理想の技術なんですけど 開発資金が出ないんですよ・・・。 しかも、日本発の天才的発明ですよ。
何しろ、一回建設すれば太陽光をエネルギー源にして無限に 電気が作れる夢のような発電所ですからね。 「マグネシウムとレーザーを用いた再生可能エネルギーサイクル」
地震研究においても全く同様、東海地震・地震計測定にのみ莫大な資金が流れ、地震予知や他の震源測定には全く資金を流さないようにしている。これでは多くの日本人の生命を守ることすら出来ない。大きなpressure
groupの問題点でないでしょうか。
政府間パネル発表(IPCC)では2050年までに世界エネルギー消費の77%を太陽光、風力発電で供給可能であるとしている。再生可能エネルギー開発が追い風となる。更にバイオマス、地熱、水力発電、波力、潮力といった海洋エネルギーなどについて今後の成長可能性を技術と経済面から検討するとしている。。残念ながらこれでは、日本国や日本国民を守ることすら出来ないpressure
groupである原子力各種委員会、地震各種委員会の二の舞となるであろう。
● 超伝導ケーブルで電気の節約。、絶対零度-273℃で電気のブラックホール(多量の電気を保管)。、高分子(=C=C=C=)で軽い電線。
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太陽光発電 、風力発電 、エネルギー 、
語義・定義
定義
新エネルギー法の第2条において、「新エネルギー利用等」として定義されている。具体的な要件は以下のとおりである。
石油代替エネルギーの製造・発生・利用のうち、
経済性の面における制約から普及が十分でないものであって、
その促進を図ることが石油代替エネルギーの導入を図るため特に必要なものとして政令で定めるもの
法律上の定義では、再生可能エネルギー でない廃棄物発電や、一般的な「エネルギー」という言葉の用法には当てはまらない天然ガスコージェネレーション(→コジェネレーション )や燃料電池 といったエネルギーの有効利用技術も当てはまるが、現在政令で指定されているものは、再生可能エネルギーに限られている。 しかしながら、法律上の位置づけはあくまで「石油代替」であり、地球温暖化の防止などの環境対策の観点は含まれていない。
歴史的推移
2006年の経済産業省総合エネルギー調査会新エネルギー部会において、国際的に「再生可能エネルギー 」という概念の認知度が高まっていることなどを踏まえて、新エネルギーの概念と再生可能エネルギーの概念の整理をすべきとの議論がなされた[2] 。その後、同年11月に公表された「総合資源エネルギー調査会新エネルギー部会中間報告」において、「「新エネルギー」の概念については、今後は、再生可能エネルギーのうち、その普及のために支援を必要とするものとして整理することが適切である」とされた[3] 。それらを踏まえ、2008年4月に政令が改正され、現在指定されているものは再生可能エネルギー に限られている[4] [5] 。
類義語
ほぼ同様の意味をさして使われる言葉として代替エネルギー (Alternative energy) がある。こちらは現在主力として使われるエネルギー資源にかわる新しい資源 という意味である。新エネルギーが公的機関において良く用いられるのに対し、こちらは民間で良く見られる言葉である。ただし日本では「石油代替」の意味で石炭・天然ガス・原子力を含む場合があるが、日本以外では通常これらを含まないため、使用には注意が必要である。
新エネルギーあるいは代替エネルギーとされるものの多くが、再生可能エネルギー (Renewable energy) と呼ばれるものである。なお、再生可能エネルギーに対し、前述の有限のエネルギー資源を枯渇性エネルギー と呼ぶ。
他国語への翻訳
そのまま英語に置き換えると new energy となる。これは再生可能エネルギー の意味[6] だけでなく、単に「新しい」という意味で枯渇性エネルギー を含む新方式のエネルギー源全般に利用できるため、語義が不明確 となり、英語としては通じない。再生可能エネルギーと同義で使われる場合は renewable energy か renewable energy sources と訳すが妥当で、その他の場合は new energy sources, new sources of energy とするほうがよさそう。ただし、new energy sourcesなどでは、再生可能エネルギーの意味が弱まり、伝わりにくくなってしまう。
現行の新エネルギー
現在、「新エネルギー利用等の促進に関する特別措置法施行令」(2008年4月1日改正施行)[7] で指定されているものは、以下の通りである。
太陽光発電
太陽熱利用 (給湯、暖房、冷房その他の用途)
風力発電
雪氷熱利用
バイオマス 発電
バイオマス熱利用
バイオマス燃料製造(アルコール燃料 、バイオディーゼル 、バイオガス など)
塩分濃度差発電
温度差エネルギー
地熱発電 (バイナリ方式のものに限る)
未利用水力を利用する水力発電 (1,000kW 以下のものに限る)
現状と将来
黄色が高成長経済の結果需要がさらに高くなった場合の予測値。青は予想の中央値。赤は経済があまり伸びなかった場合の需要予測値
[8]
我々の周りにはいくつかのエネルギー資源が存在するが、水力 ・風力 ・太陽熱 など古来から使われていたものの改良や、生物(バイオマス )、地熱 、波力 、海洋温度差 、太陽光発電 といった近年の科学によって開発されたものが新エネルギーである。現在主力となっている化石燃料 によるエネルギーはいずれは枯渇する有限の資源である。化石燃料や原子力エネルギーには環境への影響などに大きな問題があり、新エネルギーの開発は国際的にも重要な課題になっている。
1998年時点でのエネルギー資源の内訳は以下の通り[9] 。
石油 40%,
天然ガス 22.5%
石炭 23.3%
原子力 6.5%
水力 7.0%
再生可能エネルギー 0.7%
実に全体の3/4以上を枯渇性エネルギーに頼っており、特に運輸の分野ではそのほとんどを石油に頼っている。 新エネルギーはその定義上、いずれもまだ黎明期を脱していないが、潜在的な利用可能量は大きいと見込まれている。さまざまな新エネルギーについて、開発と利用が並行して進められている。
新エネルギーは地球温暖化への対策 の一環として積極的な利用が進められ、将来は世界のエネルギーの数割が再生可能エネルギーで賄われるとも予測されている。再生可能エネルギー#利用状況と見通し を参照。
新エネルギーの特性を生かして、分散型電源 として活用する試みも盛んである。分散型電源 を参照。
出典
^ 北の大地web版 (NEDO 北海道支部)
^ 総合資源エネルギー調査会新エネルギー部会(第15回)議事録(2006年3月24日)
^ 総合資源エネルギー調査会新エネルギー部会中間報告(2006年11月)
^ エネルギー白書2007年版第二部 (資源エネルギー庁 )
^ 「新エネルギー利用等の促進に関する特別措置法施行令の一部を改正する政令」について
^ 例えば、New Energy という再生可能エネルギー専門誌が存在する。
^ “新エネルギー利用等の促進に関する特別措置法施行令 ”. 2012年7月15日 閲覧。
^ http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/pdf/0484(2007).pdf
^ United States Energy and World Energy Production and Consumption Statistics
関連項目
外部リンク
/ja.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1
太陽光発電
百科事典
一般家庭の屋根に設置された太陽光発電システム(米国)
太陽光発電 (たいようこう はつでん、英 : Photovoltaics [注 1] 、Solar photovoltaics[1] 、略してPV とも)は、太陽光 を太陽電池 を用いて直接的に電力 に変換する発電 方式である。ソーラー発電 、大規模な太陽光発電所はメガソーラー とも呼ばれる。再生可能エネルギー である太陽エネルギー の利用方法の1つである。この項では発電方式としての太陽光発電について記載する。
概要
技術的特徴として、発電量が日照 (気候 ・天候 や季節 、地形 による差が大きい)に依存し不随意に変化する一方、昼間の電力需要ピークを緩和できる。さらに火力発電 では不可避の化石燃料 消費量と温室効果ガス 排出量をともに削減できる。放射性廃棄物 の処理や事故が起きた場合の汚染被害といった課題を抱える原子力発電 への依存度を下げる手段としても活用されつつある[2] 。
設備 は太陽電池、必要な電圧 や周波数 に変換するインバータ (パワーコンディショナー )で構成される。発電が行われる時間帯・地域と電力需要が異なる場合には、蓄電池 も組み合わせて調整される。
開発当初は極めて高価で、宇宙開発 等限られた用途に使われた[3] 。近年は発電コスト の低減が進み、多くの発電方法と比較して高コストながら、年間数十ギガ ワット 単位で導入されるようになった(太陽光発電の市場動向 を参照)。今後コスト低減や市場拡大が続くと見込まれ[4] [5] [6] 、各国で普及政策 が進められると同時に、貿易摩擦に発展する例[7] や、価格競争で倒産する企業が見られる[8] 。
長所
装置
発電部(セル)に可動部分が無くソリッドステート であるため、原理的に機械的故障が起きにくい(太陽電池#原理 を参照)。
規模を問わず発電効率が一定なため小規模・分散運用に向く。
発電時に廃棄物、排水・排気、騒音・振動が発生しない。
出力ピークが昼間電力需要ピークと重なり、需要ピーク電力の削減に効果がある[9] 。
設置位置
需要地に近接設置でき、送電コストや損失を最小化できる。
蓄電池の利用で、非常用電源となりうる。
運搬・移動に適した小型製品がある。
他の発電方式と比較し設置制限が少ない。建築物の屋根や壁面に設置でき土地を占有せずに設置可能。
社会
短所
装置
コスト
発電電力量当たりのコストが他の発電方法より割高である(#発電コスト を参照)。
設置面積当たりの発電量が、集中型発電方式に比べて低い。
発電量に関してスケールメリットが効かず、規模を拡大しても発電効率が変わらない(コストにはスケールメリットがある)。
夜間は発電せず、昼間も天候等により発電量が大きく変動する[10] 。
発電環境
環境
景観 ・自然環境への影響や災害 リスクの増大。具体的には、発電施設建設のため森林 が伐採されることなどによる動植物の生息環境悪化や土砂災害の危険性が指摘されている[14] 。
人家近くに設置された場合、パネルで反射 された太陽光による光害 や熱中症 が引き起こされる[15] 。
火災 等で設備が破損した場合、日中はもちろんのこと夜間であっても、炎の光で発電が継続されてしまうため、設備が新たな発火 の原因になったり、放水による漏電 で消火作業中の消防隊員が感電 したりする恐れがある。なお消防隊員が残火確認中に感電した事例も報告されている[16] [17] 。このため消火作業・鎮火宣言が遅れることがある。
太陽光パネルの損壊部から、鉛 やセレン 等の有害物質 が流出し、土壌汚染 を招く危険がある[18] 。破損したパネルを処理する場合は、排出事業者が処理責任を負う[19] 。
設置者は、感電の危険性や有害物質流出についての注意喚起し、災害 時には安全のために立ち入り禁止としたり、破損部をシートで覆う等の危険防止策が必要となる[20] 。
設置場所
制約が少なく、腕時計 から人工衛星 にも用いられる。地上に直接設置でき、太陽光を十分に受けられパネル重量に耐えられる場所であれば、建物の屋根 や壁 など様々な場所に設置可能である[21] [22] 。軽量柔軟なフレキシブル太陽電池では、重量や接地面形状の制約も減少する[23] 。剛性があるパネルであっても通常の半分程度まで軽量化し、耐荷重の制約を減らした製品も開発されている[24] 。
上記のように、人家近くや緑地を除去しての建設には弊害が大きい。波が穏やかな内水面に設置したり[25] 、海外では砂漠 に建設したり[26] する例もある。
装置構成
主に以下の要素で構成する[27] [28] 。
太陽電池からの電力は接続箱経由で取り出す。独立型での接続箱とインバータやパワーコンディショナ との間には直流側開閉器が備わる。系統連系型の接続箱とパワーコンディショナとの間にも直流側開閉器があるが、送電網につながる分電盤との間に交流側開閉器を備える。(余剰電力を)売電する系統連系型設備では売電用の電力メーターが買電力用のメーターと直列につなげる[27] 。(全量を売電する系統連系設備では、太陽電池に繋がる配線と建物内配線を分離する。)
未電化地域や宇宙、遠洋・離島などの遠隔地や道路標識等の小電力用途では系統に繋がず、蓄電池や他の電源を組み合わせた独立型や独立蓄電型で構成される。
一般住宅用の系統連系型では高価な大型蓄電池の設置は稀であるが、災害等での停電時に電力供給が可能とする家庭用大型蓄電池製品も存在する[29] [30] 。独立蓄電型に商用電力を常時併用し災害停電発生時に必要な必要最小限の電力を連続供給する大型のUPS が発売された[31] 。
発電コスト
設備容量あたりの各種発電所建設単価予測 (2050年)
[5]
太陽光発電のコストは、一般的に設備の価格でほぼ決まる。運転に燃料 費は不要であり、保守管理費用も比較的小さい。エネルギーセキュリティ向上などの付加的なコスト上のメリットも有する。特に昼間の需要ピークカットのコスト的メリットが大きいとされる[33] [34] P.131など)。途上国で送電網が未整備な場合、消費電力に比して燃料輸送費や保守費が高い場所など(山地、離島、砂漠、宇宙等)では、現段階でも他方式に比較して最も安価な電源として利用されている。
設備導入費用の内訳は太陽電池モジュール(パネル)以外の工事・流通・周辺機器の割合が大きく、2011年時点のパネル製造費割合が2割程度とされる[35] 。
発電設備自体のコスト以外では火力発電 や原子力発電 の発電量の削減を進めるに伴い、需要と供給の各種変動ギャップを埋める費用発生も見込まれる。風力発電 等の電源も関連する。スマートグリッド 等の総合的な対策が各国で検討推進されている[36] [37] [38] [39] 。
開発当初は高価で用途も人工衛星等に限られたが[3] 経験曲線効果 に従い価格が低下した[40] 。現時点でもコストが比較的高く普及促進に助成が必要であるが[41] 、条件の良い地域では既にグリッドパリティ が達成されたと報告されている[42] 。中長期的にはコストが最も安い発電手段の一つになると予測されている[5] 。
グリッドパリティ 達成はモジュール価格で1ドル/Wp以下が目安とされた。2012年時点でパネルの種類によっては0.5 - 0.9ユーロ/Wp 前後になっている[43] 。更なるコスト低減を表明する企業もある[44] 。
フランス・ドイツ・イギリス等で2020年までに順次既存の火力発電とコストで競い始めると予測されている[4] 。また米国の好条件地域では、2012 - 2014年頃に天然ガス等の発電コストよりも安くなり始めると予測されている[45] 。
日本では補助金が中断した2005年頃から一時的に価格が上昇したが[46] 、2008 - 2009年にかけて普及促進政策が施行されてからは低減を再開した[47] 。
蓄電池を用いる独立型システムについても、今後の価格低下と途上国での普及拡大が予測されている[48] 。
利用形態
独立蓄電
発電した電力を二次電池 に蓄電利用し外部送電網に接続しない形態。夜間や悪天候時の発電量低下時も太陽光発電のみの発電で電力供給する場合利用する。系統連系に比べ蓄電設備にかかる費用・エネルギー・CO2 排出量が増加するが、外部からの送電費用が上回る場合のほか、移動式や非常用電源システムで用いる。消費電力が少なく送電網から遠い場合にメリットが大きいが、送電網に近くても送電電圧が高い場合には変電設備よりも独立電源設備が安いことがある。一般向けに、小型の最大電力点追従制御 機能(MPPT)と自動車用バッテリーで構築する製品も市販されている[49] 。
携帯用小型機器
電卓・懐中電灯・腕時計など消費電力の少ない携帯機器を電池交換や充電せずに利用するために小型の太陽電池が使用される。小型一次電池が比較的高価なためコスト面で有利である。
未電化地域での電源。
移動時の電源
小規模電源
庭園灯や街路灯や駐車券発行機などメンテナンスや配線のコスト削減のために利用。
非常用電源。
無線通信網の中継局や航空管制局[52]
軍用・アウトドア用の可搬式電源
自動車の換気用電源[53] [54] 。
灯台用電源
系統連系
電力会社の送電網に同期接続する形態が系統連系 である。送電網が近傍にある場合は、売電するために系統連系して利用する場合が多い。太陽電池モジュール→パワーコンディショナー→商用電線路 という接続形態を取る。再生可能エネルギーの固定価格買取制度(FIT制度)[57] では発電量が設置場所での利用量を上回る分を電力会社に供給する(売電)。電力を送電網に送ることを逆潮流と呼ぶ。夜間や悪天候時に発電量を利用量が上回ると系統側から電力供給する。一般に独立型より発電規模が大きい。独立蓄電型のような大容量の蓄電設備が不要であり、その分、発電量あたりのコスト・温室効果ガス(Greenhouse Effect Gas:GEG)排出量・ライフサイクル中の投入エネルギーが独立型より小さい。
出力変動
天候や気温で出力変動し曇天 ・雨 天時は晴天 時より大幅に発電量が低下し、夜 間は発電できない。大規模な系統連系では変動が速すぎると他の電源による調整が追いつかない恐れがあるとされる[58] 。
比較的短い周期(数秒-数十分)の変動
分散型電源では大規模化と分散化により速い変動成分が平滑化され電源網側での対処が容易となり、これをならし効果と呼ぶ。ある程度の導入量まで問題ないとされる[58] 。米国での調査では特別な対策をしなくても系統負荷の3割以上の設備容量を系統連系可能とし[59] 、過去の大規模な実証試験で変動を電力網側の調整余力で対応でき送電網全体で送電コスト低減によるメリットが上回ると報告されている[60] 。さらに連系する容量が増加すると変動対策が必要になるとされる[58] 。将来的にスマートグリッド など系統全体の包括的対策が必要とする。
比較的長い周期(数時間-数日)の変動
導入量が少ない段階では大きな心配はないとされる[58] 。昼間の電力が余ると余剰分の調整が必要である。独立型設備で電力を太陽光発電に頼る場合はバッテリーを追加して需給の差をバッテリー容量の範囲で埋める。
モジュールを複数の方向に向けて設置する場合個々の方向で最大出力になる時間帯がずれ、正午の瞬間最大出力が低くなる代わりに、他の時間帯に出力増加する。電力需要は時間帯で変動し一般に午後の方が多い[61] 。固定式設備の場合、電力需要との整合性の観点では真南よりも多少西向きに設置するのが好ましい一方で角度により発電量が減る場合がある。米国サクラメント市における解析例では、20度の傾斜を持たせて設置する場合、真南から30度西にずらすと、総発電量は約1%減少するが、容量が系統に貢献する度合いは25%近く増加し全体で経済的価値が大きくなると報告された[62] 。冷房 需要の多い地域では日照 と電力需要の相関関係が高い[63] 。
最大電力点追従制御
最大電力点追従制御 (Maximum power point tracking、MPPT) は、インバーターが太陽電池からの電圧と電流の積である電力が最大になる出力電圧で電流を取り出すための制御機能である。使用することで日射量に応じて最適の条件で電力を供給できる。インバーターが直流/交流変換動作を行わない場合太陽電池の出力電流がゼロなら出力電圧は開放電圧 (Open circuit voltage;Voc) である。インバータの電流制御によって徐々に太陽電池の出力電流を増やした時にインバータを通過する電力が増えればさらに電流を増やし、逆に増やして電力が減れば電流を減らす方法によって最大電力点に到達する。この制御方法を山登り法と呼ぶ。住宅用太陽光発電用インバータでは太陽電池がアモルファス、結晶系など多様な電流・電圧特性を持つためいずれの特性の太陽電池に対しても安定に最大電力点に追従して運転することが求められることから最大電力追従のための一回の電流の変化幅と変化の速さ・頻度の選択が重要である。最大電力点追従制御は,インバーターでの直流運転電圧を太陽電池アレイと直流ケーブルを通した最大電力点の電圧に近付ける働きをする。最大電力点追従制御は太陽光発電システムの使用者による測定が困難でインバーターの直流/交流変換の効率と同じく製造者による性能表示が重要である。
発電部の構成と特殊な製品例
セル、モジュール、アレイ
太陽光発電設備の発電部は、多数の太陽電池素子で構成される。素子やその集合体には、規模や形態に応じて下記の様な呼称がある。
セル
太陽電池 の単体の素子は「セル」(cell) と呼ばれる。素子中の電子 に光エネルギーを吸収させ、光起電力効果 によって直接的に電気エネルギーに変換する。(太陽電池#原理 を参照)
1つのセルの出力電圧 は通常 0.5-1.0V である。複数の太陽電池を積層したハイブリッド型や太陽電池#多接合型太陽電池 では1セルの出力電圧が高くなる。必要な電圧を得るために通常は複数のセルをハンダ付け等で直列接続する。薄膜型太陽電池 では太陽電池を構成する薄膜の形成と並行して、セルの直列接続構造も造り込む(集積化)[64] 。
モジュール
セルを直列接続し、樹脂や強化ガラスや金属枠で保護したものを「モジュール」(module) または「パネル」(panel) と呼ぶ。モジュール化で取り扱いや設置を容易にし、湿気や汚れや紫外線や物理的な応力からセルを保護する。モジュールの重量は通常は屋根瓦の1/4-1/5程度である。太陽光発電モジュールは「ソーラーパネル」(solar panel) と呼ばれることもある。この名称は太陽熱利用システム(太陽熱温水器 など)の集熱器にも用いられる。
ストリング
モジュールを複数枚数並べて直列接続したものを「ストリング」(string) と呼ぶ[65] 。
アレイ
ストリングを並列接続したものを「アレイ」(array) と呼ぶ[27] 。
モジュール製品の例
セルとセルの間に隙間を作り光を透過させる機能も併せ持つもの(タミヤ製作所 )
高効率 で狭い面積で済むもの
高温環境対策品(太陽電池#温度の影響 )
強風対策品
塩害 対策品
低角度設置に対応し汚れを落ちやすくしたもの
反射光を軽減し周囲に配慮したもの
網目状セルの半透過型(窓やビル壁面で利用)
着色しデザイン 性を持たせたもの
軽量で屋根への負担を軽減したもの
両面から光を取り入れ周囲からの反射 散乱光 も利用するもの
曲げられるフレキシブル 型(持ち歩きが容易)
平面や曲面に接着剤で貼り付け設置できるもの
経年劣化と寿命
大部分の製品が稼働できると推測される「期待寿命」とメーカーが性能を保証する「保証期間」がある。メーカーの製造ミスで早期出力低下などトラブルが起こることもある。通常の経年劣化による出力低下は20年で1割未満とされる。
ソーラーパネルは税制面において法定耐用年数が17年と定められている[66] 。
屋外用大型モジュールの期待寿命は、過去の製品の結果から一般に20-30年以上とされる[67] [68] 。期待寿命は明確に定められておらず、統一基準も無い。
モジュールは年月と共に徐々に性能低下する。世界各国の2000例近い各種太陽電池モジュールの経年劣化調査データのまとめでは、性能低下速度の中央値は0.5%/年、平均値は0.8%/年と報告されている[68] 。
経年劣化を調査する実証実験[69] においてパネルの種類による経年劣化の違いを検証した結果をもとにすると、25年間に使用により単結晶シリコンパネルで出力が82 - 85%、多結晶シリコンパネルで86.8 - 89%、CISパネルで92.7 - 93.2%、ヘテロ接合(HITハイブリッドなど)パネルで90.4%、アモルファスシリコンパネルで74.6%に低下するという結果になる[66] 。なお、屋外用モジュールの出力保証として、各メーカーが10 - 25年の出力保証を付けているが、定格出力に対して保証される経年劣化による出力は25年で80%など、それぞれ実験結果と比べて低い基準でもうけられている[70] 。
モジュールの強化ガラスとセルとの間に通常EVA 等の樹脂が充填される。昔の製品は樹脂が紫外線で黄変(browningまたはdarkening)し性能が急速に劣化する場合があったが樹脂の改良やガラスにセリウム を添加する等の対策で解決された[71] [72] [73] 。
経年劣化で発生する代表的変化としては、セルを固定するEVAなど樹脂がはがれたり(delamination)、湿気がモジュール内部に侵入し電極の腐食を起こす例が挙げられる[74] [75] 。製造企業の技量不足から比較的早期に性能低下し交換対象になる例もある[76] 。
アモルファスシリコンを用いたモジュールは屋外光で劣化しやすかったが現在では長寿命化され、20年以上の性能を保証する製品もある[77] 。
太陽電池 の型式により使用開始時に数%程度性能が低下しその後安定する挙動を示す(初期劣化)。定格値として初期劣化後の値(安定化効率)が用いられる[78] [79] 。
製品寿命予測のための加速試験手法として塩水噴霧や紫外線照射、高温多湿 (Damp Heat)環境試験などを用いる。検証手段として実際に屋外の環境に晒すフィールドテストが1980年代から大規模に行われ、現在20数年分のデータが蓄積された[80] 。
パワーコンディショナーなど周辺機器に寿命(10年?)があり部品交換などメンテナンスが必要である。
人工衛星 の電源など宇宙 空間での利用では温度差200℃程度の周期的な温度変化、打ち上げ時の振動、放射線による劣化などに対応できる必要がある[81] [82] 。このためモジュール(パドル)の構造、セルの材料や構造など各部にわたり対策が施される。
太陽光発電モジュールは長寿命なため、取り付ける架台や施工部分にも長寿命が求められる。一般の建築物同様に数年ごとの保守点検が推奨され、メーカーや代理店によっては定期保守点検プランを用意する場合がある。点検項目のガイドラインとして日本電機工業会 が定めたものがある[83] 。
発電可能な量
資源量
地球上の太陽光エネルギー資源量の分布(1991-1993年の平均、昼夜の変化や天候の影響含む)。黒点は変換効率8%と仮定して世界の主要エネルギー源を太陽光で十分賄うのに必要な面積(
en:Solar_energy )
太陽光のエネルギーは膨大で、地上で実際に利用可能な量だけで世界のエネルギー消費量の約50倍と見積もられる[85] 。地球に降り注ぐ太陽光の総エネルギー量173000 TWのうち僅か40 TWが光合成を経て有機物を生成する。人間活動で消費するエネルギー量はさらに少なく14 TWである。仮にゴビ砂漠 に現在市販されている太陽電池を敷き詰めれば、全人類のエネルギー需要量に匹敵する発電量が得られるという[86] 。
生産に必要な原料は豊富で少なくとも2050年頃までの予測需要は十分満たせるとされる[87] 。シリコン を用いる太陽電池では資源量は事実上無限とされる。シリコンを用いない太陽電池はインジウム などの資源が将来的に制約要因になる可能性があるが、技術的に使用量を減らせば2050年以降も利用可能とされる[87] 。太陽電池用シリコン原料の供給は2008年まで逼迫し価格が高止まりしたが各社の増産が追いつき2009年から価格低下が予測された[88] 。太陽電池専用シリコン原料生産技術は様々なものが実用化され、精製に必要なエネルギーやコストが大幅に削減されるとされる(ソーラーグレードシリコン を参照)。
日本国内で導入可能な規模、導入効果の目安
潜在的には必要量よりも桁違いに多い設備量(7984GWp = 約8TWp分)が導入可能と見積もられるが、実際の導入量は安定電力供給の電源構成上の観点から決まると見られる[89] 。導入可能な設備量は102GWp-202GWp程度とされる。建造物へのソーラーパネル設置により期待される導入量が多く、将来の導入可能量は戸建住宅53GWp(ギガ ワットピーク )、集合住宅22GWp、大型産業施設53GWp、公共施設14GWp、その他60GWpとされる[90] 。
さて、将来的に太陽光発電の累計導入設備量が100GWp(=1億kWp)になれば日本の年間総発電量の約10%に相当する(200GWpで約20%、8TWpで8倍)[要出典 ] 。
世界的に見て、日本の平均年間日照量は最も日照の多い海外地域の半分程度であるが、導入量世界一のドイツより多い(右上図参照)。国内では冬期に晴天が少なく積雪の多い日本海側で日照量(発電量)が少なく、太平洋側で多くなる[91] 。
温室効果ガス (GHG) 排出量とエネルギー収支
GHG 排出量は化石燃料 電源の排出量より格段に少なく、利用するとGHG排出量を削減できる[92] 。エネルギーペイバックタイムやエネルギー収支比の点でも実用水準である[93] [94] 。
主な影響要因
太陽光発電の発電電力当たりのGHG排出量や投入エネルギー量はシステム製造工程と設置環境での発電量でほぼ決まる。稼動時は燃料を必要とせずGHGを排出しない[92] 。メンテナンスや廃棄時に排出するGHGや投入エネルギー量も比較的少ない[94] 。
製造時GHG排出量や投入エネルギー量は用いる太陽電池#種類 や量産技術、量産規模に影響される。生産量は単結晶シリコン型が最も多く多結晶シリコン型が続く[94] 。薄膜型(アモルファス、CdTe、CIGS、積層型など)は比較的少ない。年間生産量が10MWから1GWになると設備容量あたりの投入エネルギー量が半分以下と計算される[85] 。
設置地域で寿命まで発電できる量は日照時間 や温度の影響を受ける。緯度や気候のデータや過去の実績から大まかな予測が可能である[95] 。
温室効果ガス (GHG) 排出量 ]
製造時等では温暖化ガス の排出を伴うが、発電中は全く排出しない。採鉱から廃棄までのライフサイクル中の全排出量をライフサイクル中の全発電量で割った値(排出原単位)は数十g-CO2/kWhであり、化石燃料による排出量(日本平均690g-CO2/kWh[96] )より桁違いに少ない。
日本での排出原単位は一般家庭で29-78g-CO2/kWh(稼働期間20年の場合。30年だとこの2/3)と算出される[92] [94] 。削減効果の目安は660g-CO2/kWhとされる[92]
欧州南部の見積もりでは結晶シリコン太陽電池は現状25-32g-CO2/kWh、将来は約15g-CO2/kWhに減少すると見積もられている[97]
エネルギー収支
エネルギー源としての性能を比較する際に、エネルギーペイバックタイム (EPT) やエネルギー収支比 (EPR)が指標として用いられることがある。製造や原料採鉱・精製、保守等に投入されるエネルギーに対して得られる電力の大きさを示す。ライフサイクルアセスメント (LCA)の一環である。エネルギー収支や環境性能の実用性を否定する意見は都市伝説 として否定されている[98] [99] [100] 。
現状でEPTが1-3年程度、EPRが10-30倍程度とされる[93] [99] 。
世界各国の状況
世界全体の太陽電池生産量は指数関数的に拡大し続ける。PV NEWSの集計は2010年の生産量が2009年 に比べ111%増加し23.9GWp(ギガ ・ワットピーク )となった[101] (値は調査会社で異なりPhoton Internationalは27.2GWpとする[102] )。地域シェアは中国台湾合計59%、欧州13%、日本9%、北米5%、他14%である[101] 。 世界全体の2010年の太陽光発電導入量はEPIA の集計では16.6GWpである[103] 。solarbuzz社の集計で18.2GW、額が820億米ドル(約6.5兆円)である[104] 。地域別年間導入量は欧州(13.2GWp)、日本(0.99GWp)、北米(0.98GWp)、中国(0.52GWp)、APEC(0.47GWp)、他(0.42GWp)である[103] 。 市場規模は2025年に太陽電池約9兆円、構成機器全体で約13兆円、システム構築市場が約18兆円となり、それぞれ2009年の5倍以上に達するとも予測されている[6] 。
セル製造シェア
2015年の世界市場の太陽電池セル製造メーカー上位3社のシェアは次の通りである[105] [106] 。上位10企業のシェアの合計は53%で、2008年の54%[107] から低下した。[106] 。供給過剰と価格競争が続き旧来の大手企業が倒産する例がある[8] 。
太陽電池セル製造用装置メーカー
2008年の世界市場の太陽電池セル製造装置売上高トップはアプライド・マテリアルズ であった[108] 。以下Roth & Rau 、Centrotherm 、OC Oerlikon Balzers 、アルバック と続く。
政策
固定価格買い取り制度 (フィード・イン・タリフ制度)で法的に電力買取価格を保証する国が増加し[109] 、普及促進効果が報告された[110] [111] 。普及量世界一のドイツでは国内の設備導入費用が2006年から5年間で半額以下になった[112] 。一方で供給過剰と価格低下でQセルズ 、ソロン、ソーラー・ミレニアムが破綻した。また電気料金への転嫁による消費者負担も問題となり、2012年6月ドイツ連邦議会は買い取り価格の20 - 30%の引き下げに同意し同年4月に遡って適用された[113] [114] [115] 。
欧州委員会は2007年1月に、2020年にはEUで電力の34%程度が風力や太陽光などを含む再生可能エネルギーで賄われる可能性があると予測した[116] 。2008年12月には、2020年までにエネルギー需要の20%に再生可能エネルギーを使用すると決定した[117] [118] 。
モジュール製造で中国がシェアを大幅に拡大した[106] 。米国は中国による政策的ダンピングとして高率関税をかける決定を下し[119] [120] 、中国は米国をルール違反として反論する等[7] 、貿易戦争が激化した[7] 。
日本の状況
日本は1970年代のオイルショック から開発と普及に力を入れ[123] 、生産量や導入量で長く世界一であり[124] 。2000年ごろまで太陽光発電量は欧州全体より日本1国が多かった[要出典 ] 。
2004年頃には世界の約半分の太陽電池を生産していたが2010年の生産世界シェアは9%である[101] 。生産自体は2GWpを超えて増加しており(右図)[125] 半分以上を輸出する。輸入量は国内販売量の約16%である[126] 。国内出荷量の約8割は住宅向けで[126] 一戸建て向けが中心であるが近年は集合住宅での導入例も見られる[127] [128] 。
2005年に新エネルギー財団 (NEF) の助成が終了すると国内市場は縮小し、価格が下がらなくなった。
2008年以降助成策強化で国内市場は拡大し価格が下がり始めた。(右図)
関連産業の規模は2010年度見込みが約1.3兆円とされた[129] 。2011年度に約1.5兆円に拡大するとする[129] 。約半分がセル・モジュールで半分が他産業の分である[129] 。関連雇用は4万人を超えたとする[122] 。
2011年 3月 の東日本大震災 後、日本政府 による自給エネルギー の確保と低炭素社会 の実現という政策 で、化石燃料 や原子力 に依存し過ぎないエネルギーミックス を推進。2012年 7月 には再生可能エネルギーの固定買い取り制度が導入され、新規事業者の参入が相次いだが、その後の買い取り価格の段階的な引き下げで市場拡大のペースが鈍化、事業者の乱立の影響もあり競争は激化し、早くも淘汰の時代に入り、倒産 業者数も2015年 度には54件と前年度比較で倍増、2016年 には1月ー9月だけで42件(負債 総額185億200万円)に上った。2016年には日本ロジテック (東京都 )、太陽エナジー販売 (神奈川県 )、サン・エコイング (兵庫県 )などが倒産した[130] 。
政策
日本では2011年現在余剰電力買取制度(固定価格買取制度 )と国・自治体の各種助成策が実施された。2012年から公共産業向け設備への全量買取制度が導入されると共に、他の再生可能エネルギー も全量買取対象に加わる[131] 。 共同で太陽光発電所を設置・運営し売電収入を分配する市民共同発電所の設置例・検討例がある[132] [133] [134] 。
これらの政策により太陽光発電導入は2013年から急激に進み[135] 、太陽光発電設備の発電能力容量は、2015年の末までには3000万kW(30GW(ギガワット))に達するとみられている[136] [注 2] 。太陽光発電設備の利用率は、年間を通すと全体の13%の時間だと計算されている[135] 。しかし、晴れた日の日中は、冷房のため電力需要が増加すると同時に太陽光発電の発電量も最大となる[137] [138] 。実際は発電能力の半分程度の出力となってもピーク時の需要の増加に応じて電力供給量を補うことができる[138] 。2015年の夏の場合、沖縄電力を除く他の9電力会社の管内では、電力需要が最大となった時間帯に太陽光発電によって1千kW以上、すなわち原子力発電所十数基分の発電量にあたる量の電気を供給して、需要に対応した[139] [140] [141] 。
日本の太陽光発電システムメーカー
2010年の日本の太陽電池生産企業はシャープ、京セラ、三洋電機、三菱電機である[106] 。
他にセル生産や部材供給に関わる企業が多数存在する(例:[142] )。
中国やカナダ等海外からの日本市場参入が見られる[143] 。
施設の破壊・盗難
2017年5月16日、兵庫県 内の複数の太陽光発電所から送電ケーブルを盗んだ電気工事業者が逮捕された。被害は50件、約9,100万円。山間部など人目のつかない、警備の手薄な発電所が狙われており、状況によっては防犯体制などのリスクや対策費用が必要となること判明している[144] 。
宇宙太陽光発電
宇宙 で太陽光発電を行う宇宙太陽光発電 構想があり、日本、アメリカ、欧州等で研究が進められている。
太陽光発電用の人工衛星 を打ち上げ、発電した電力をマイクロ波 またはレーザー光 に変換して地上の受信局に送信し、地上で再び電力に変換する構想である。宇宙空間の太陽光は、大気 で減衰される地上より強力であり、大気圏 外では地球上の天候(雲 )や季節に左右されない。
脚注
注釈
^ "photovoltaic"という語は本来は太陽光発電パネルの動作原理である「光起電力 (光電効果 )の」「光起電力に関する」という意味の形容詞であるが、語尾を"-ics"とした"photovoltaics "という語は太陽光発電を指す名詞として使用されている[1] [2] [3]
^ 2014年末の段階での資源エネルギー庁の試算では2,369万kW[135] 。
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参考文献
関連書籍
関連項目
外部リンク
解説サイト
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日本
研究開発
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日本
専門学会・展示会
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国際的な展示会は年間数十件に上る - Solarbuzzの展示会情報 。
日本の学会
専門論文誌
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風力発電
百科事典
風力発電 (ふうりょくはつでん)とは風 の力(風力 )を利用した発電方式である。 風力エネルギーは再生可能エネルギー のひとつとして、自然環境 の保全、エネルギーセキュリティの確保可能なエネルギー源として認められ、多くの地に風力発電所や風力発電装置が建設されている[1] 。 風力エネルギーの利用として、発電には発電風車(風力タービン)が、機械的動力を得るには粉挽き風車のような風車(ウインドミル)が、揚水や灌漑には揚水風車(風力ポンプ)が、さらに船の推進には帆が用いられている。巨大な風力発電所(ウインドファーム)は、送電線に接続されている何百機もの風車で構成されている。最近のEUの調査では、新規に建設された陸上風車は安価な発電源であり、石炭・ガスなどの化石燃料による発電所より安価で、競争力を持っているという。洋上風力は陸上より安定で強力であり視覚障害はないが、建設維持コストは陸上風力より高くなる。小型陸上風力発電所は送電網に連系して送電したり、あるいは連系しないで電気を自己消費される。 化石燃料の代替としての風力は、大量で、再生可能で、広域に分布し、クリーンで、稼働時に温暖化ガスを排出せず、少しの土地を使うだけである。2013年において、デンマークでは風力で3分の1以上の電気を賄い、世界では83か国が風力発電で電気が系統に連系されている。風力発電の設備容量は2014年6月に336GWまで急速に拡大し、世界の電気需要の4%が風力発電であり、なお急激に増加している[2] 。
風力発電の状況
世界の風力発電の累計導入量(1996-2013年)
[3]
風力発電は世界各国で活用されており、2010年では世界の電力需要量の2.3%であるが、2020年には4.5~11.5%に達するという調査もある[5] 。
2013年末の風力発電の累計導入量は318.1 GWに達しており、増加率は鈍化しているが、前年に比べて12%増加した。[6] 。2013年から2018年までの、風力発電の増加は、12%から15%の伸びが予想されている。[6] 。中国の伸びは顕著で、新規導入量は16.1GWである。また洋上風力の導入で英国の増加が特徴的である。[6] 。
風力発電機メーカー市場のシェア は2009年時点でデンマーク のヴェスタス 社が12.5%で1位、米国 のGEエナジー 社が12.4%で2位、以下中国 の華鋭風電 が9.2%、ドイツ のエネルコン が8.5%、中国のGoldwind が7.2%、スペイン のGamesa が6.7%と続いている[7] 。
歴史
イギリスでは1887年にグラスゴー のJ.ブライスが垂直風車により出力3kWの発電を開始したとされ、アメリカでは1888年にクリーブランド のC.F.ブラッシュ が直径17m144枚のブレードからなる巨大な多翼風車で12kWの風力発電を1908年まで20年間使用されたとされ、1891年にデンマークのアスコウ(Askov)でポール・ラ・クール によって風力発電研究所が設立され、風力発電で電気分解 した水素と酸素で発電の実験が実施された[9] 。日本では1949年に山田基博 が札幌 に(株)山田風力電設工業所を設立し風車の本格的製造を開始した。オイルショック を機に風力発電等の代替エネルギー への関心が高まり、1973年に足利工業大学 、三重大学 で風力発電の研究開始、1975年に鶴岡高専 、山形大学 で風車の研究が開始され、その後、複数の教育機関や企業が参入したものの、1980年代には石油の安定供給、価格下落により研究開発は下火になり、1990年代に入ると地球温暖化 への対策の一環として再び、風力発電への関心が高まった。1970年代とは異なり、複合材料 やパワーエレクトロニクス 、数値流体力学 によるシミュレーション 技術の発展が追い風になり世界各地で普及が進む[10] [11] 。
特性
風力発電は従来の集中型電源と様々な点で異なる特性を持つ。
長所
主に環境負荷の小ささ、化石燃料の使用量削減、エネルギー安全保障、産業振興・雇用創出などが挙げられる[1] [12]
二酸化炭素 などの温室効果ガス排出量の低減効果がある。(#温室効果ガス排出量 参照)
比較的発電コストが低く、事業化が比較的容易である。(#費用対効果 参照)
エネルギー自給率の向上が見込める。(#エネルギー収支 参照)
小規模分散型の電源であるため、事故や災害など有事の際の影響を最小限に抑え、全体の稼働率を高くできる。(#建設と保守 参照)
工期が短く、需要総量の変動に対応しやすい。また投資してから運転開始までの利子も少なく済む。(#建設と保守 参照)
運転用燃料を必要としないため、物価変動由来(インフレなど)の事業リスクを減らせる。(#費用対効果 参照)
大規模集中型の発電所に比較して、修理やメンテナンスに要する期間を短くできる[12] 。(#建設と保守 参照)
離島など、燃料の確保や送電コストの高い地域の独立電源として活用できる[1] [12] 。
冷却水を必要としない[12] 。
小型のものは需要地に隣接して設置可能であり、送電コストの低減に役立つ場合がある[12] 。
個々の設備が比較的小規模で個人でも運用可能である[12] 。
風が吹けば夜間を含めいつでも発電が可能である。
短所
主に出力電力の不安定・不確実性と、周辺の環境への悪影響の問題があり、特に設置場所の選定が重要となっている。
風力原動機 を設置する場所の風況が発電の採算性に大きく影響する。(#事前調査と発電量予測 参照)
風速 の変動に伴って、出力の電圧や力率 が需要と関係なく変動する。(#出力変動 参照)
台風 、サイクロン などによる強風で、定格を大幅に超える速度で運転すると、風力発電機の破損を招く場合がある。(#強風 参照)
周囲に騒音被害を与える恐れがある。(#生活環境への影響 参照)
現時点ではコスト面で法的助成措置を必要とする場合が多い。また、系統の拡張などにある程度の追加費用を要するとされる。(#費用対効果 参照)
ブレードに鳥が巻き込まれて死傷する場合がある。(#生態系への影響 参照)大きい風力発電の場合
落雷などで故障したり、事故の原因になる場合がある。(#事故 参照)
風車は年々、タワーは高く、ブレードは長くなる傾向にあり、それに伴い点検や補修に係るコストを増大させる(#ローター径と効率 参照)
風量によっては余剰電力を増大させる。
地震によって発電停止することがある[13] 。
風力タービン
発電に使用される風車 は風力タービン、風力発電機、風力発電装置などと呼ばれる。 形式としては水平軸のプロペラ型が最も多く用いられている。(風車 参照)その他、用途に応じて垂直軸のダリウス型、ジャイロミル型、サボニウス型またはその併用型を用いる場合もある。また直線翼垂直軸型[14] 、スクリューマグナス風車(マグヌス効果 参照)もある。風車以外では、振動 板に風を受け、圧電素子 で電力を得る方法が研究されている。[15] )
一般的な水平軸プロペラ式では大きく3つの構成要素からなる。
ブレード(翼)、ローター軸、ハブなどで構成。風力タービンコストの約20%を占める。風の運動エネルギーを低速の回転エネルギーに変換する。
風力タービンコストの約34%を占める。発電機軸、発電機[16] [17] 、制御機器、増速機(遊星歯車など)、[18] などで構成され、ナセルと呼ばれる筐体に収納される。増速機は発電に適した回転速度に調節する役割がある。
風力タービンコストの約15%を占める。基礎、タワー、ヨー制御システムなど[19] で構成される。
ローター径と効率
風力原動機はローターの直径が大型化するに伴い効率が向上し、採算性も向上する。地上付近では地面や障害物等による摩擦があり、高所の方がより効率よく風を捉えられるのが大きな理由である。このため発電事業用の風力原動機は大型化する傾向にある。2005年は、世界的に2.5MWクラスが中心であった。2008年には5MWの機種も登場している[20] 。 しかしながら、保守の観点から考えるならば、ロータ径が大型化するにつれて、タワーは高くなり、ブレードは長くなることから、点検や補修に困難が生じやすくなる。
発電量はローターの半径の2乗、風速の3乗に比例する。効率は最高59%である(ベッツの法則 )[21] 。1919年、ドイツのアルバート・ベッツ により導き出された。
日本メーカーでは1MWクラスが主流であったが、近年、2〜2.4MWクラスのものが商品化された[22] 。また、家庭への普及を狙って小規模の風力原動機を商品開拓する動きもある[23] 。
建設と保守
風力発電機のブレードを設置場所まで運んでいる様子(イギリス)
風力発電機の設置工事に必要な期間(工期)は、規模や環境にもよるが、概して他の発電方式よりも短い。1基では通常3〜4ヶ月とされる[24] 。20基程度では10〜11ヶ月、50〜100基程度の大規模な集合型風力発電所 でも1〜2年ほどの例がある。 デンマークの沖合6-15kmに2MW基を80基、合計160MWを建設した実例では、現場での建設作業は約半年、製造から含めても約1年半で済んでいる[25] 。これは他の大規模集中型発電所(原発 や地熱発電所 など)に比べると格段に短い。これは需要構造の変化への対応や機器の更新を容易にする他、工事期間中の利子 も低く抑える効果がある。例えば、下記のような利益が得られる。
集中型発電所では工期が長い分、将来の需要増加の可能性を見越して常に多めに設備を建設しておく必要があり、また一基当たりの容量が大きい分、見込み違いによる無駄も多くなりやすい。しかし風力のような小規模分散型電源を用いる場合は、比較的短期かつ小さい単位での増設や移設が可能である[12] 。
定期保守や修理に要する期間が短い(さらに多くの場合、個々の設備ごとに時期をずらして行うことが可能である)ため、系全体の稼働可能率をその分高くできる[12] 。
大規模な集合型風力発電所では、複数の工区に分けて順番に建設・稼働開始させ、意図的に将来の機器の更新時期をずらす場合がある。これによって機器の更新時期でも集合型風力発電所の大部分は稼働を続けることができ、需要の変化などによる財務リスクも抑制できる。また風力発電機は現在でも活発に技術開発が行わ れており、毎年のように性能が向上した機種が登場している。このため風力発電機を段階的に建設することで、後で着工・稼働開始する工区になるほど、より高性能の機種を導入できる利点がある[26] 。
ただし、工事に先立って風況調査などにある程度の準備期間が必要になる。また近年の需要急増により、納期が1年を超える例も見られる[27] 。
保守については、一般に風力発電機は大規模集中型発電所(原発・大型火力など)に比して修理や点検が比較的容易であり、必要な時間も短くできるとされる[12] 。 ただし日本の場合は2008年時点で風力発電機の8割程度が輸入品であるため、修理部品などは海外から取り寄せる場合が多くなる。そのため部品が届くまで数ヶ月かかることがある[28] 。
風力発電所の形式
左:ダリウス型風力発電機
右:ジャイロミル型発電機(
北海道 稚内市 )
集合型風力発電所
集合型風力発電所は、多数の風力タービン を1カ所に設置し発電 する施設。ウィンドファーム(wind farm)とも呼ばれる。大規模なものでは数百平方マイルの広大な敷地に数百の風力タービンが並ぶが、タービンとタービンの間の土地は農耕など他の用途に利用できる。洋上に設置される場合もある。
可倒式風力発電設備
可倒式風力発電設備は、可倒式の風車を利用した発電施設。倒すことで台風の被害を防ぐ事が出来る、メンテナンスを地上で行える、設置に大型の重機を必要としないと言った利点がある[29] [30] 。
洋上風力発電所
海上に風力発電機を設置することを洋上風力発電(オフショア風力発電、海上風力発電、海洋風力発電)と呼ぶ。地形や建物による影響が少なく、より安定した風力発電が可能となる。また立地確保、景観、騒音の問題も緩和できる。2010年末時点で、欧州を中心に3GW以上が導入されている[31] 。
水深が浅い海域において海底に基礎を建て、大規模なウインドファームを建設する例が各国で見られる[32] [33] 。元々はデンマークを中心に建設が進められてきたが、近年になって欧州全域に広がる勢いをみせており、特に英国における伸びが著しい。英国政府が掲げるその目標は、2020年までに洋上風力発電設置容量33GW(Round 1,2,3合計)導入目標という壮大なものである。ドイツにおいても、北海における国家プロジェクトAlpha Ventus 60MWを皮切りに、2009年以降の導入加速が見込まれる。日本においても港湾内などにおける建設例が見られ[34] 、2010年3月には茨城県にて初の港湾外への設置事例が稼働を開始している[35] 。また水深が深い場所のために、浮体式の基礎を用いる方式も研究されている。2009年にノルウェーにおいて、フルスケールとしては世界初の浮体式洋上風力発電施設Hywindが建設さた[36] 。沖合いでの洋上風力発電(沖合風力発電)については、電力の陸上への送電が困難であるため、発電した電気で水素 を製造し、これを圧縮したり、有機ハイドライド に吸着させる等により輸送することが研究されており、これにより電力変動の問題も解決されることが期待されている[要出典 ] 。
洋上水素製造構想
九州大学 の研究者を中心に、海上 に巨大な風力発電所を造り、新しいエネルギー として活用しようという構想の研究会が発足している[37] 。 構想によると、海上にはちのす 状に浮かべた六角形のコンクリート 構造物(一辺300メートル)の上に、従来の2倍以上の風力を得る直径100メートルの風力原動機 を設置。送電線は使わず、得られた電力で海水を電気分解 して水素 を作り、その水素を船で陸に輸送して水素発電や燃料電池 に使うというもの。高強度の新素材や効率的な風車、水素貯蔵などの最新技術を組み合わせ、原発 1基分に相当する100万キロワット級の発電を低コストで目指している。新素材の耐用年数は100年以上とされ、発電コストは原発の半分以下に抑えられる。六角形の浮体の内部を養殖場にすることで、漁業補償の問題も解決できるとしている。資金の目途が付けば6〜7年で技術確立が可能としている。
空中風力発電構想
米国、ヨーロッパでは次世代の風力発電として、強くて安定した風が得られる上空に風船などで風力原動機を持ち上げて設置する空中風力発電機 (AWT,英語 : Airborne wind turbine )などのアイデアが検討されている[38] [39] [40] [41] [42] [43] 。
各地域の状況
欧州
2006年の欧州での導入量は2005年に比べ約19%増加し、48027MWに達した。設備全体による年間発電量は約100TWhに達する見込みである。これは2005年のEU全体の電力消費量の3%に相当する。2020年にはEUの全電力需要の13%を風力だけで賄える見込みである[44] 。 政策的には、殆どの国が固定価格買い取り制度 (FIT)制と呼ばれる制度を軸として普及を進めている(再生可能エネルギー#普及政策 参照)。 普及の最も進んでいるデンマーク では既に国全体の電力の2割が風力発電によって賄われ、なおも普及を進めており、2025年には5割以上に増やせるとしている[45] 。スペイン では2010年に風力発電で電力需要の16.6%を供給し、また電力由来の二酸化炭素 排出量の26%を削減した[46] 。非化石エネルギーのシェア増加により電力コストが抑えられて隣国フランスよりも安価となり、2010年には8.3TWhを輸出した[47] 。また2011年3月には風力発電による月間の発電量が21%を占め、原子力やガス複合火力を抜いて最大の電力供給源となった[47] 。
フランス
ドイツ
米国
米国は、以前からカリフォルニア州 やテキサス州 で大規模な風力発電ファームを建設していたが、2008年5月にエネルギー省 (DOE)が2030年までに電力需要の20%に相当する約290GWを風力発電で賄うという目標を立ててからさらに設備量が増えた。しかし2010年には金融危機等の影響で市場が前年より縮小し、中国に累計導入量で抜かれた[5] 。
カリフォルニア州には2014年1月現在で世界で最大の風力発電所であるアルタウインドエナジーセンター が存在する。大手の風力発電機製造企業としてGEエナジー が存在する。
日本
日本では欧米諸国に比して普及が進んでいない。理由として、台風 に耐えうる風車を施設すると欧米と比較してコストが上がることや、大量の風車を設置できるだけの平地の確保が困難なこと、元々日本ではクリーンエネルギーとして太陽光発電 を重視してきた歴史があることなどが挙げられる。また、アメリカやドイツは原子力発電所の新設を政策的に停止しているため風力発電への依存度を増している。
日本の電力会社は風力発電事業に消極的であるが、自治体による「自治体風車」や市民グループによる「市民風車」等のプロジェクトの取り組みが進んでいる。[48]
日本では、2004年ごろから風力発電が本格的に導入が開始され、以後、徐々に普及してきており、2014年時点で全国に約2000基、発電能力の合計は約250万キロワットとなっている。ただ、普及に伴い、風車部分が丸ごと落ちるなど、惨事に繋がりかねない事故も起こるようになっており、対策が検討されている[49] 。日本の風力発電所で有名なのは苫前町 と稚内市 等が挙げられる。
費用と効率性
費用対効果
風力発電は、水力発電に次いで再生可能エネルギー の中では採算性が高く、「2500-5000kw級の大口径風車・電池コストを考えないならば」天然ガス価格百万Btuあたり10-20ドルでは、天然ガス火力や原子力と競争可能なコストまで下がっている。(但し、米国ではシェールガス乱掘でガス価格が5ドルに下がったために、2013年現在では 再びガス火力が有利になっている)。 但し、導入に際しての「幹線送電線までのアクセス送電線建設コスト」「電池コスト」を補うために、直接・間接的な支援を行う国が多い。
ドイツは開発適地の枯渇とともに頭打ちになったが、中国と米国が急速に設備容量を増やして、両国とも風力発電量は日本における水力発電の設備容量1000億kwhを追い抜いており、米国のグリーンニューデイールを支えている
また、ドイツで始まった「固定価格買取制度 」は風力発電会社の収入を安定化させて、風力発電会社の社債を、投資可能な格付けの金融商品に育て上げるのに成功した。老人が 預金から、より利率の良い風力発電投資信託にシフトすることで、風力発電建設が急速に進み、経済成長に寄与した。 (但し、風力資源未開発地が枯渇するにつれ、ドイツ政府は、2013年時点で、風力より2-3倍コストが掛かる太陽電池を、時期尚早に「固定価格買取制度」の対象としたことや、その負担を事業者から消費者に転嫁したことから、天然ガス価格上昇とともに、ドイツの家庭電気料金が3倍に跳ね上がる原因となってしまった)
大規模に導入しているデンマーク においては、風力発電の経費は過去20年間で80%以上削減され、通常電力と競争可能な水準まで低下した[50] 。温暖化対策費まで考慮すると、欧州における風力は石炭火力より発電経費が一桁少ないとする試算もある[51] 。なお、近年の資材の高騰により、装置価格の増加も報告されている[52] 。
風力発電は一度設置してしまえば、その後は、化石燃料の価格変動による影響がほぼ保守費用などに限られるため、その分事業が安定化する利点がある[12] 。
火力発電を減らして風力発電で代替するにあたっては、出力変動などの対策、および、送電網の拡張や予備発電設備容量の確保等が必要となる[52] [53] 。一般的には、程度の導入割合までは、その追加費用が実用的な範囲で済むとされる(例:[52] [54] [55] )。欧州では域内での風力発電などの増加に対応した系統の拡張が検討されている[56] 。
導入規模の効果 ]
風力発電は小規模分散電源であり、導入規模や範囲が増すほど全体的な信頼性と安定性が高まり、発電コストも低減する。
風力発電設備は普及クラスのものであれば、稼働可能率[57] 自体は非常に高くすることが可能であり、稼働可能率95%以上の例も多数報告されている。これは一般にメンテナンス等に要する時間が短いことによる。たとえ個々の風車の稼働可能率が低くても、導入数の増加や他の分散型電源との併用により、全体でみた稼働可能率は100%に近づく。これに対して一般的な大規模集中型発電所では、1990年頃の米国の例では原子力73%、化石燃料火力発電所の平均で85%、水力でも91%程度と報告されている([12] P242)。
風力発電設備が稼働不可になる要因としては、風速不足を除くと落雷 、故障、定期保守、系統の故障、などがある。英国における一例では、それぞれ原因の48%、37%、13%、2%を占めたと報告されている([12] P241)。風力は変動するため、個々の風車の稼働率は通常40%以下となる。
異なる場所に分散して設置された風車同士は、距離が離れるに従って、出力変動の相関性が低くなる。特に速い(高い周波数 の)変動においてこの傾向は顕著となり、合計の出力がある程度平滑される[58] 。このため出力の平準化には、分散配置が有効とされる。ただし、完全に変動が無くなるわけではない。
大規模化と分散配置により、大きな変動は残るものの、全体でみた変化の速度が遅くなり、電力網によるサポートがより容易となる。オランダ内の海岸沿いの6地域でを対象とした調査では、数時間程度の間隔で出力に大きな変動が見られるが、100万kW規模の変動が起こる確率は、その規模の火力発電 設備が強制停止される頻度と同程度であると報告されている[12] 。
小規模な導入量では、出力変動への対策コストは必要以上に高く算出される[59] 。
系統連系する際に許容できる導入量の見積もりは、シミュレーションの前提条件の小さな違いで大きく異なる結果となる。このため変動の許容量を必要以上に小さく見積もっている例も散見される[60] 。
エネルギー収支
「生産から設置・運用〜廃棄に至るまでのライフサイクル中に投入するエネルギー」を「風力により生み出すエネルギーによって節約できる」までの時間をエネルギーペイバックタイム (EPT)、また寿命との比をエネルギー収支比 (EPR)という。原動機の性能および設置場所の風況に大きく左右されるが、通常EPTは数ヶ月程度[61] [62] [63] とされる。またエネルギー収支比は38〜54とも見積もられている[63] 。大型化などの技術改良のほか、リサイクルや基礎部の再利用等によって今後も改善が見込まれている。
温室効果ガス排出量
エネルギー
百科事典
エネルギー (独 : Energie 、英 : energy )とは、
(物理学 )仕事 をすることのできる能力のこと[1] [2] 。物体や系が持っている仕事をする能力の総称[4] 。
1. の意味から転じて、物事をなしとげる気力・活力のこと[1] 。活動の源として体内に保持する力[2] 。
エネルギー資源 のこと[1] [2] 。
概説
現在用いられているようなエネルギーという概念 が確立したのは19世紀 後半のことであるが[5] 、概念の確固たる成立はともかくとして、「エネルギー」という用語は、19世紀のはじめ、トマス・ヤング が1807年に著書『自然哲学講義』(英 : A Course of Lectures on Natural Philosophy ) の中で、従来使われていた「力」を意味するラテン語 vis の代わりとして提案された[4] 。
「エネルギー」の語源となったギリシア語 の ἐνέργεια (ギリシア語ラテン翻字 : energeia ) は、ἐνεργός (ギリシア語ラテン翻字 : energos ) に由来する。これは、ἐν (エン)と ἔργον (エルゴン)を組み合わせた語で、ἐν は前置詞 、ἔργον (ギリシア語ラテン翻字 : ergon ) は「仕事 」を意味する語である。つまり、「物体 内部に蓄えられた、仕事をする能力 」という意味の語である。エネルギーという概念は「仕事」という概念と深い関わりがあるのである。
このようにエネルギーという語・概念は「物体が仕事をなし得る能力」を意味したが、その後、自然科学 の説明体系が変化し、熱 ・光 ・電磁気 もエネルギーを持つことが知られるようになり、さらに、質量 までがエネルギーの一形態である、と理解されるようになった[2] 。
英語読みでは「エナジー」であるが、同じ意味である。
歴史
現代において「エネルギー」という語で呼ばれている概念には、ひな形 (あるいは萌芽 と呼んでもよいもの)があり、その概念は、ヨーロッパ 近世 においては「エネルギー」とは呼ばれておらず、ラテン語 で vis (ウィス、力 の意)と呼ばれていた。この概念が様々な経緯を経て、現在の「エネルギー」という概念に似たものに変化してゆくことになった。
1600年 頃のこと、ガリレオ・ガリレイ は、釘 の頭に(金づち よりもはるかに)重い物(石 など)をのせても、釘は木の中にめりこんでゆかないのに、それよりも軽い金づちでも振って打つだけで、釘が木材に入ってゆく、ということを、ひとつの問題として取り上げ、運動 する物体には何らかの固有の「ちから」がある、との考え方を示した。
デカルト は、1644年 に出版された著書において、衝突 という現象においては、物体の重さ と速さ の積 (現在の式で言えば、おおよそ mv に相当するような量)が保存されるとし、この量こそが物体の持つ「ちから」である、と述べ、この量は保存されている、と主張した。
ライプニッツ は、重さと速さの二乗の積(現在の式で言えば、おおよそ mv 2 に相当する量)こそが「ちから」である、とし、この量が保存されている、と主張した。なお当時、静力学 の分野では、vis mortua (死んだ力)という概念があったが、その概念と対比ししつつ、ライプニッツはその力 mv 2 を vis viva (生きている力、活力 )と呼んだ。
デカルトの考え方とライプニッツの考え方では、数式 上異なった結論が導き出される。デカルト派の人々とライプニッツ派の人々の間で「ちから」の解釈に関する論争が起き、この論争は実に50年ほども続いた。この論争を活力論争 [6] と言う。
この問題についてレオンハルト・オイラー は、1745-50年頃執筆された手稿「自然哲学序説」の中で (1) 両主張の差異は運動と力の関係を同一時間で比較するのか( mv {\displaystyle mv} )または同一距離で比較するのか( mv 2 {\displaystyle mv^{2}} )の違いであること、(2) 慣性を物体に内在する「力」に置き換えることが誤りであること、を示している[7] 。
その後、ガスパール=ギュスターヴ・コリオリ が、活力が mv 2 / 2 {\displaystyle mv^{2}/2} であることを示した[4] 。これは、今日で言うところの「運動エネルギー 」に相当することになる[4] 。
熱力学
熱力学 において、ある条件の元で仕事として取り出すことのできるエネルギーとして自由エネルギー が定義される。自由エネルギーには、ヘルムホルツの自由エネルギー とギブズの自由エネルギー の 2 つがある。ヘルムホルツの自由エネルギー [8] は等温操作によって熱力学系から得られる仕事の最大値として定義される。ギブズの自由エネルギー [9] は等温等圧操作によって得られる仕事の最大値を与える。
自由エネルギーは、適切な変数の下では平衡状態 の熱力学系のすべての情報を持った関数 、すなわち熱力学ポテンシャル となる。また、平衡状態は自由エネルギーが極小 である状態として実現する。このように、自由エネルギーは理論的な道具として良い性質を持った量である。
一方、工学 などの応用領域においては、熱力学系から実際に 利用できるエネルギーに意味があり、それを評価する量としてエクセルギー [10] が考案されている。
古典力学
力学 においては、粒子 の持つエネルギーは運動エネルギー と位置エネルギー に分類される。運動エネルギー は粒子の運動量 に依存するエネルギーで、ニュートン力学 では
K ( p ) = | p | 2 2m = = p =m v 12 m | v | 2 {\displaystyle K({\boldsymbol {p}})={\frac {\left|{\boldsymbol {p}}\right|^{2}\!\!}{2m}}\,{\overset {{\boldsymbol {p}}=m{\boldsymbol {v}}}{=\!=}}\,{\frac {1}{2}}m|{\boldsymbol {v}}|^{2}}
と定義される。ここで K は運動エネルギー、p は運動量、m は質量 、v は速度である。また、|·| は絶対値 を表し、太字の量はベクトル量 を表す。 位置エネルギー は質点の位置に依存するエネルギーで、特に質点が持つ位置エネルギーは、その質点の位置を変数とする関数 として定義される。 位置エネルギーを表す文字としては、しばしば V や U 、Φ や φ が用いられる。
粒子の持つエネルギーを一般化して、1 つの力学系に対してエネルギーを定義できる。 運動エネルギーに関しては、各粒子が持つ運動エネルギーの和が系の運動エネルギーに対応する。
K ( p 1 ,…,p N ) =∑ i=1N | p i | 2 2m i . {\displaystyle K({\boldsymbol {p}}_{1},\dots ,{\boldsymbol {p}}_{N})=\sum _{i=1}^{N}{\frac {|{\boldsymbol {p}}_{i}|^{2}\!\!}{2m_{i}}}.}
ここで N は系の粒子数であり、p i は i 番目の粒子の運動量、mi は i 番目の粒子の質量である。 位置エネルギーは、各粒子の位置を変数とする関数として定義される。多くの場合、位置エネルギーは 1 体のポテンシャル と 2 体のポテンシャルを用いて、
Φ ( r 1 ,…,r N ) = {∑ i=1N ϕ 1 ( r i ) } + {∑ i<j ϕ 2 ( r i ,r j ) } {\displaystyle \Phi ({\boldsymbol {r}}_{1},\dots ,{\boldsymbol {r}}_{N})=\left\{\sum _{i=1}^{N}\phi _{1}({\boldsymbol {r}}_{i})\right\}+\left\{\sum _{i<j}\phi _{2}({\boldsymbol {r}}_{i},{\boldsymbol {r}}_{j})\right\}}
と書き表すことができる。ここで Φ は系の位置エネルギー、φ 1 は 1 体のポテンシャル、φ 2 は 2 体のポテンシャルであり、r i は i 番目の粒子の位置を表す。
力学において定義されるこれらのエネルギーの総和は、熱力学における定義と対比して、しばしば力学的エネルギー と呼ばれる。 力学的エネルギーの変化量が、系が外界に対してなした仕事に等しい場合、「力学的エネルギーは保存している」と言い、これを力学的エネルギー保存則 と呼ぶ。力学的エネルギーが保存しない系は、たとえば粒子に対して摩擦力 が働く系や粒子が非弾性衝突 をする系である。還元主義 の立場では、このエネルギーの損失は、粒子やそれが運動する媒質 などの内部自由度 を記述し切れていないことに起因すると考えられている。
量子力学
量子力学 において、物理量 や可観測量 は通常の実数 を用いては必ずしも表現できず、演算子 を用いて表現される。系の力学的なエネルギーは、古典論における解析力学 と同様に系全体のハミルトニアン によって表されるが、量子力学ではハミルトニアンは状態ベクトル に作用する演算子となる。測定によって得られる値は、そのハミルトニアンの固有状態 に対応した固有値 として与えられる[注 1] 。ある系について、エネルギーを測定できる限りにおいて、エネルギー固有値 は実数に限られるため、系全体のハミルトニアンはエルミート演算子 でなければならない。
非相対論的 な量子力学では、正準交換関係 を通じて運動量 を演算子に置き換えることで、運動エネルギー は、
K ( p )→ K ^ ( p ^ ) = p ^ 2 2m {\displaystyle K({\boldsymbol {p}})\to {\hat {K}}({\hat {\boldsymbol {p}}})={\frac {{\hat {\boldsymbol {p}}}^{2}\!\!}{2m}}}
と定義される。ここで ^ K は運動エネルギー演算子、^ p は運動量演算子である。運動エネルギーを表す文字としてはしばしば K や T が用いられる。
位置エネルギー も同様に位置演算子の関数に置き換えられる。
V ( r )→ V ^ ( r ^ ) . {\displaystyle V({\boldsymbol {r}})\to {\hat {V}}({\hat {\boldsymbol {r}}}).}
ここで V , ^ V は位置エネルギーおよび位置エネルギー演算子、r , ^ r は粒子の位置および位置演算子である。
1 粒子系のハミルトニアン ^ H は運動エネルギーと位置エネルギーの和として与えられる。
H ^ ( p ^ , r ^ ) = K ^ ( p ^ ) + V ^ ( r ^ ) = p ^ 2 2m + V ^ ( r ^ ) . {\displaystyle {\hat {H}}({\hat {\boldsymbol {p}}},{\hat {\boldsymbol {r}}})={\hat {K}}({\hat {\boldsymbol {p}}})+{\hat {V}}({\hat {\boldsymbol {r}}})={\frac {{\hat {\boldsymbol {p}}}^{2}\!\!}{2m}}+{\hat {V}}({\hat {\boldsymbol {r}}}).}
量子力学においては、古典力学とは異なり、定常状態でとり得るエネルギー固有値 E は非負でなければならず、固有値は必ずしも連続的ではなくなる[5] 。エネルギーの値がこのように離散的になることの効果が、特に低温での熱的な性質に顕著に現れる[5] 。
電磁気学
電磁気学 において、電磁場 のエネルギーは、現象論的なマクスウェルの方程式 から
U ( t ) =∫ V 12 (E ( r ,t ) ⋅ D ( r ,t ) + H ( r ,t ) ⋅ B ( r ,t ) ) d 3 r {\displaystyle U(t)=\int _{V}{\frac {1}{2}}\left({\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {r}},t)\cdot {\boldsymbol {D}}({\boldsymbol {r}},t)+{\boldsymbol {H}}({\boldsymbol {r}},t)\cdot {\boldsymbol {B}}({\boldsymbol {r}},t)\right)\mathrm {d} ^{3}{\boldsymbol {r}}}
と与えられる。ここで E は電場 、D は電束密度 、H は磁場 、B は磁束密度 である。また、· はベクトルの内積 、V は空間全体およびその体積を表す。特に、真空中では電束密度 D および磁場 H はそれぞれ電場 E と磁束密度 B で置き換えられ、国際単位系 を用いれば、真空中の誘電率 ε 0 および真空中の透磁率 μ 0 を用いて、
U ( t ) =∫ V 12 (ε 0 E 2 ( r ,t ) + 1μ 0 B 2 ( r ,t ) ) d 3 r {\displaystyle U(t)=\int _{V}{\frac {1}{2}}\left(\varepsilon _{0}{\boldsymbol {E}}^{2}({\boldsymbol {r}},t)+{\frac {1}{\mu _{0}}}{\boldsymbol {B}}^{2}({\boldsymbol {r}},t)\right)\mathrm {d} ^{3}{\boldsymbol {r}}}
と表すことができる。また、被積分関数である、電場と電束密度の内積 E · D 、および磁場と磁束密度の内積 H · B の和は[注 2] 、電磁場のエネルギー密度を与える。
u ( r ,t ) = 12 (E ( r ,t ) ⋅ D ( r ,t ) + H ( r ,t ) ⋅ B ( r ,t ) ) . {\displaystyle u({\boldsymbol {r}},t)={\frac {1}{2}}\left({\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {r}},t)\cdot {\boldsymbol {D}}({\boldsymbol {r}},t)+{\boldsymbol {H}}({\boldsymbol {r}},t)\cdot {\boldsymbol {B}}({\boldsymbol {r}},t)\right).}
真空中のエネルギー密度は、
u ( r ,t ) = 12 (ε 0 E 2 ( r ,t ) + 1μ 0 B 2 ( r ,t ) ) . {\displaystyle u({\boldsymbol {r}},t)={\frac {1}{2}}\left(\varepsilon _{0}{\boldsymbol {E}}^{2}({\boldsymbol {r}},t)+{\frac {1}{\mu _{0}}}{\boldsymbol {B}}^{2}({\boldsymbol {r}},t)\right).}
である。すなわち、電磁場のエネルギー密度は電磁場の大きさの 2 乗 に比例する。
ある空間における電磁場のエネルギーについて、その時間的変化は電場が電荷に対してなす力学的な仕事 と、電磁波 として運ばれるものに分けられる。前者の電荷 に対する電磁場がなす仕事やそれによって生じる熱 はジュール熱 と呼ばれる。
− d d t ∫ V u ( r ,t ) d 3 r =∫ V E ( r ,t ) ⋅ j ( r ,t ) d 3 r +∫ A (E ( r A ,t ) × H ( r A ,t ) ) ⋅ n ( r A ) d A. {\displaystyle -{\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\int _{V}u({\boldsymbol {r}},t)\mathrm {d} ^{3}{\boldsymbol {r}}=\int _{V}{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {r}},t)\cdot {\boldsymbol {j}}({\boldsymbol {r}},t)\mathrm {d} ^{3}{\boldsymbol {r}}+\int _{A}\left({\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {r}}_{A},t)\times {\boldsymbol {H}}({\boldsymbol {r}}_{A},t)\right)\cdot {\boldsymbol {n}}({\boldsymbol {r}}_{A})\mathrm {d} A.}
ここで j は電流密度 、A は領域 V の表面およびその面積を表す。また、r A は表面 A 上の点を、n は表面に垂直で領域の外を向いた単位ベクトル を表している。右辺の第 1 項がジュール熱、つまり電磁場と電荷の相互作用によるエネルギーの移動を表し、第 2 項が電磁場の変形によって外部へ流出するエネルギーの流量を表している。第 2 項の被積分関数はポインティング・ベクトル として次のように定義される。
S ( r ,t ) = E ( r ,t ) × H ( r ,t ) . {\displaystyle {\boldsymbol {S}}({\boldsymbol {r}},t)={\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {r}},t)\times {\boldsymbol {H}}({\boldsymbol {r}},t).}
エネルギーの種類
エネルギーはその移動形態や保存形態によって様々に分類される。熱機関と熱浴との温度 の差を利用して取り出されるエネルギーは、ときに熱エネルギー と呼ばれる。また化学ポテンシャル の差を利用して取り出されるエネルギーは化学エネルギー と呼ばれる。他にも、電流 によって運ばれるエネルギーは電気エネルギー 、電磁波 の持つエネルギーや電磁波によって得られるエネルギーは光エネルギー 、原子核分裂 や原子核融合 などの原子核反応 によって生じるエネルギーは原子エネルギー などと呼ばれることがある。これらの呼称は慣習的なもので、必ずしも厳格に用いられているわけではなく、また一般に通用する厳密な定義も存在しない。
単位
国際単位系 におけるエネルギーおよび熱量の単位 はジュール (J) である。これは1948年に開かれた第9回国際度量衡総会 にて決定された[21] 。しかし、分野によっては他の単位が用いられることもある。例えば、栄養学 や食品 の世界ではカロリー (cal) が用いられる。カロリーには様々な定義があるが、日本の計量法 では熱化学カロリー (thermochemical calorie) が用いられている。熱化学カロリーはジュールを用いて定義されており、正確に 1 calth = 4.184 J である[22] 。 エネルギーの単位は他に以下のような単位がある。
エルグ (erg) = 10−7 J
キロワット時 (kWh) = 3.6 MJ
電子ボルト (eV) = 1.602 176 487(40)×10−19 J
英熱量 (Btu) = 1 055.055 852 62 J
石油換算トン (toe) = 41.868 GJ
石炭換算トン (tce) = 29.307 6 GJ
主なエネルギーの換算表[23]
toe
(石油換算トン)
tce
(石炭換算トン)
MBtu
Gcal
MWh
GJ
toe
1
0.7
0.0252
0.0999
0.0860
0.0239
tce
1.428 6
1
0.0360
0.1428
0.1228
0.0341
MBtu
39.683
27.778
1
0.2778
0.0239
0.9478
Gcal
10.007
7.0049
0.2522
1
0.8604
0.2390
MWh
11.630
8.1410
0.2931
1.1622
1
0.2778
GJ
41.868
29.307 6
1.055 055 852 62
4.184
3.6
1
エネルギー資源
「エネルギー」はエネルギー資源を指していることもある。 産業 ・運輸 ・消費生活などに必要な動力の源のことをエネルギー資源 と呼んでいる[1] 。
18世紀 までは主要なエネルギー源は薪 、炭 、鯨油 などであったが、19世紀の産業革命 のころからそれらにかわって石炭 、水力 、石油 が主に用いられるようになり、20世紀には核燃料 が登場した[24] 。
最近では、一次資源が枯渇性エネルギー と再生可能エネルギー に分けて考えられるようになっており、再生可能エネルギーの開発とそれへの移行が進行中である。
エネルギー消費の構成が急激に大きく変化すること、特に第二次世界大戦 後の石炭から石油への急激なエネルギー源の転換などを指して[25] 、エネルギー革命 と言う[25] 。
脚注
注釈
^ 系全体のハミルトニアンの固有状態を特にエネルギー固有状態 と呼び、固有値をエネルギー固有値 と呼ぶ。エネルギー固有状態とは、エネルギーがある 1 つの値に定まった状態を指し、エネルギー固有値はそのときの系のエネルギーに等しい。
^ 正確にはその 1 / 2 。
出典
参考文献
関連項目
線形・直線運動の量
角度・回転運動の量
次元
—
L
L2
次元
—
—
—
T
時間 : t
s
absement : A
m s (英語版 )
T
時間 : t
s
—
距離 : d , 位置 : r , s , x , 変位
m
面積 : A
m2
—
角度 : θ , 角変位 (英語版 ) : θ
rad
立体角 : Ω
rad2 , sr
T−1
周波数 : f
s−1 , Hz
速さ (速度の大きさ): v , 速度 : v
m s−1
動粘度 : ν ,
比角運動量 (英語版 ) : h
m2 s−1
T−1
周波数 : f
s−1 , Hz
角速度(の大きさ): ω , 角速度 : ω
rad s−1
T−2
加速度 : a
m s−2
T−2
角加速度 : α
rad s−2
T−3
躍度 : j m s−3
T−3
角躍度 : ζ rad s−3
M
質量 : m
kg
M L2
慣性モーメント : I kg m2
M T−1
運動量 : p , 力積 : J kg m s−1 , N s (英語版 )
作用 : , actergy : ℵ kg m2 s−1 , J s (英語版 )
M L2 T−1
角運動量 : L , 角力積: ΔL kg m2 s−1
作用: , actergy: ℵ kg m2 s−1 , J s
M T−2
力 : F , 重さ : F g
kg m s−2 , N
エネルギー : E , 仕事 : W
kg m2 s−2 , J
M L2 T−2
トルク : τ , 力のモーメント : M
kg m2 s−2 , N m
エネルギー: E , 仕事: W
kg m2 s−2 , J
M T−3
yank : Y
kg m s−3 , N s−1
仕事率 : P
kg m2 s−3 , W
M L2 T−3
rotatum : P
kg m2 s−3 , N m s−1
仕事率: P
kg m2 s−3 , W
古典力学
F = dd t ( m v ) {\displaystyle {\boldsymbol {F}}={\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}(m{\boldsymbol {v}})}
運動の第2法則
歴史 (英語版 )