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

常温核融合（Cold Fusion）

（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＞Ｓ^2-＞（Ｆｅ→Ｆｅ²⁺）＞Ｎｉ＞Ｐｂ＞
Ｈ₂＞Ｃｕ＞ＯＨ^-＞Ｉ^-＞（Ｆｅ²⁺ →Ｆｅ³⁺）＞Ａｇ＞Ｂｒ^-＞Ｈ₂Ｏ＞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

エネルギー問題は原理的には解決済み：
北大の水野忠彦教授が常温核融合の存在を実験で証明
http://jlnlabs.imars.com/cfr/html/cfrtiny2.htm

1989年のあの大騒ぎを覚えていらっしゃるだろうか。フライシュマンとボンズによる常温核融合の存在を証明する実験に成功したというニュースが世界を駆け巡ったことを。そして、それが別の科学者チームの追試で再現できなかった騒ぎを。これにより、常温核融合は眉つば科学として世界から追放された。アメリカ政府も資金的手当てを停止してしまった。しかしひとり日本政府だけは、常温核融合に食らいついていた。北大水野忠彦教授が結局実験でその存在を証明した。上のサイトは水野モデルを使って追試したもの（実験日：２００３年５月１９日）のデータ報告。以下３つのサイトは、水野論文。
http://www.lenr-canr.org/acrobat/MizunoTnucleartra.pdf
http://www.lenr-canr.org/acrobat/MizunoTexperiment.pdf
http://www.lenr-canr.org/acrobat/MizunoTconfirmatib.pdf

彼の発見で最大の部分は、常温核融合は、熱の発生もさることながら、実は原子核が他の原子核に変化する、「核変換」現象だったとの理解に達したことだ。
この考えについて一般向け英語書籍がでているが、日本語でもでている。
http://www.kohgakusha.co.jp/books/detail/4-87593-214-6

意外なことだが、トヨタ自動車は９０年代初頭から欧州に核融合の研究施設を持ち、資金をつぎ込んでいる。
エネルギー問題は実は日本の科学陣営によって原理的には解決済みといってよい。あとは応用の問題と政治問題のハードルとなる。トヨタは、欧米石油資本のトラの尾を踏まぬよう、非常に慎重になっている。
水野教授の発見の、核変換という概念は決定的に重要だ。錬金術の概念と連続するからだ。

・固体内核反応研究[Ｇｏｏｇｌｅ] 　　・核変換[Ｇｏｏｇｌｅ]

常温核融合 2006
凝集系科学への展開

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　■

内容見本

第１章 　本書を読むための基礎知識

　1-1 キーワードの説明

　1-2 周期表ほか

第２章 　凝集系核現象の研究状況
　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

第３章 　応用への展望

　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

第４章 　ICCF12の概要

　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

付録： 　ボソン化凝縮体の核融合率

　1 基礎理論

　2 具体例：EQPET/TSCモデル

　参考文献

荒田固体核融合

常温核融合は本当だった！http://www5b.biglobe.ne.jp/~sugi_m/page284.htm

常温核融合公開実験のビデオ：New Energy Timesサイト
http://newenergytimes.com/v2/news/2008/NET29-8dd54geg.shtml
「 9. Japan's Sputnik? The Arata-Zhang Osaka University LENR Demonstration 」

ビデオを3分割して
１．説明（４４分）
http://video.google.com/videoplay?docid=-5242568651652305169
２．実験（３１分）
http://video.google.com/videoplay?docid=-7962272847393451248
３．質疑応答（１６分）
http://video.google.com/videoplay?docid=-6764098365227508856
をgoogleビデオで公開しています。

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、

新エネルギー（太陽発電）（風力発電）

百科事典

新エネルギー（しんエネルギー）とは、公的には日本における新エネルギー利用等の促進に関する特別措置法（新エネルギー法）において「新エネルギー利用等」として定義され、同法に基づき政令で指定されるもののことを指す。現在、政令により指定されている新エネルギーは、バイオマス、太陽熱利用、雪氷熱利用、地熱発電、風力発電、太陽光発電などであり、すべて再生可能エネルギーである。ほぼ日本だけで用いられる用語（分類）である。海外では代替エネルギー（alternative energy）と呼ばれる分野と重なる。

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

新エネルギー法は1997年に成立した。

2008年の政令改正までは、廃棄物発電、天然ガスコージェネレーションや燃料電池なども含まれていた^[1]。

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

外部リンク

太陽光発電

百科事典

砂漠に設置された大規模太陽光発電所（米国）

一般家庭の屋根に設置された太陽光発電システム（米国）

水上式太陽光発電システム（富山県射水市）

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

ISSの太陽電池パネル

灯台の電源として用いられる太陽光発電設備

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
- エネルギー自給率を向上させる。
- 稼働に化石燃料を必要とせず、エネルギー安全保障上で有利（#エネルギー収支を参照）。
- 発電時に温室効果ガスを排出せず、設備製造等での排出も比較的少ない（#温室効果ガス (GHG) 排出量を参照）。

短所

装置
- 送配電系統へ連系する場合、直流から交流への商用電源周波数のインバータ装置が必要。
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
- 高温時に出力が落ちる^[11]（太陽熱発電と逆の特性。温度の影響参照）。
- 影やパネルの汚れ、火山灰、降雪等で太陽光を遮蔽されると、電力出力が落ちる^[11]^[12]^[13]。
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

住宅用太陽光発電設備(系統連系型)の構成例^[27]^[28]

主に以下の要素で構成する^[27]^[28]。

ガーデンソーラーライト

構成

太陽電池
架台
接続箱
パワーコンディショナー
- インバータ
- 保護回路
（直流側／交流側開閉器）
（売電用電力メーター）
（チャージコントローラー）
（蓄電池）

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

欧州での太陽光発電の発電コスト見通し^[32]

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]。

「太陽光発電のコスト#コスト構造」を参照

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]。

「太陽光発電のコスト#政策」を参照

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

パーキングメーターへの利用例

街路灯で風力発電と併用

自動販売機への利用例

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。
- 送電網がない地域の照明や家電の電源。
移動時の電源
- ソーラープレーンやソーラーカーの電源。
- 砂漠移動時の電源
  - ラクダに積む場合がある。
- 船舶の補助電源
  - 2008年から日本郵船と新日本石油（現：JXエネルギー）が自動車運搬船で実証試験を行った^[50]。2012年には商船三井、三菱重工業、パナソニックがリチウム蓄電池付きシステムを搭載した自動車運搬船を進水させた^[51]。
- 宇宙空間での電源
  - 人工衛星や太陽から近い所を飛ぶ探査機で利用。
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
  - 海上保安庁は灯台への太陽光発電の設置を進めている^[55]^[56]。

系統連系

集合住宅での利用例

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。
  「#発電コスト」を参照
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。
  「#独立蓄電」を参照

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

結晶シリコン型太陽電池（セル）の代表的構造

多結晶シリコン型太陽電池（セル）

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#アモルファスシリコンの光劣化」を参照
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。
「太陽光発電#参考データ」を参照
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

詳細は「太陽光発電の資源量」を参照

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）

ドイツ、EU25カ国および全世界の需要と等しい電力を太陽エネルギーで発電するのに必要な面積^[84]

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]

「太陽光発電の環境性能」を参照

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]。

「太陽光発電の環境性能」を参照

世界各国の状況

世界の太陽電池（セル）生産量^[101]

「太陽光発電の市場動向#世界各国の状況」を参照

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

「太陽光発電の市場動向#世界各国の状況」を参照

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]。

中国	トリナ・ソーラー	7%
中国	Ja Solar	7%
韓国	ハンファQセルズ	7%

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]。

「固定価格買い取り制度」を参照

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

日本における太陽電池の出荷状況^[121]

日本におけるモジュール単価の推移^[122]

詳細は「太陽光発電の市場動向」を参照

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)

「太陽光発電の市場動向#歴史的経過」を参照

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

詳細は「太陽光発電の市場動向#助成策」を参照

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]。

「太陽光発電の市場動向」を参照

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

宇宙太陽光発電衛星（想像図）

詳細は「宇宙太陽光発電」を参照

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]
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出典

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参考文献

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桑野幸徳『太陽電池はどのように発明され、成長したのか』オーム社、2011年8月。ISBN 978-4-274-50348-1。
『太陽光発電システムの設計と施工』太陽光発電協会編、オーム社、2011年9月、改訂4版。ISBN 978-4-274-21060-0。
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飯田哲也『自然エネルギー市場』 ISBN 4-8067-1303-1。
産業技術総合研究所太陽光発電研究センター編著『トコトンやさしい太陽電池の本』 ISBN 978-4-526-05795-3。

外部リンク

解説サイト

太陽光発電とは（産総研・太陽光発電研究センター）

産業団体

世界：PVGroup - en:Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI) の下部組織。
米国：en:Solar Energy Industries Association (SEIA) 公式サイト
欧州：European Photovoltaic Industry Association (EPIA)、European Photovoltaic Technology Platform
ドイツ：German Solar Industry Association (BSW)
スペイン：Spanish Photovoltaic Industry Association / Asociacion de la Industria Fotovoltaica (ASIF)
日本
- 太陽光発電協会 (JPEA) 公式サイト - 日本最大の太陽光発電専門の業界団体。導入・普及促進・広報事業などを手がける。
- 太陽光発電技術研究組合(PVTEC) 公式サイト - 日本の業界団体で、研究・技術開発に重点を置く。
- 光産業技術振興協会(OITDA) 公式サイト
- ソーラーシステム振興協会(SSDA) 公式サイト
- 日本電機工業会(JEMA) 公式サイト

公的機関

IEA Photovoltaic Power Systems Programme(IEA PVPS) - 国際エネルギー機関(IEA)内の専門組織。国際的な研究協力や情報収集・交換を手がける。
国際再生可能エネルギー機関(IRENA) 公式サイト
アメリカ合衆国エネルギー省(DOE)
ドイツ環境省(BMU)

日本

新エネルギー・産業技術総合開発機構 (NEDO) 公式サイト - エネルギー・環境技術の一環として、太陽光発電に関する研究開発・普及を推進する活動を行っている。
新エネルギー財団 (NEF) 公式サイト - 2005年まで住宅用太陽光発電導入促進事業を行った。
日本学術振興会公式サイト
環境省公式サイト
資源エネルギー庁公式サイト
東京都太陽エネルギー利用拡大会議公式サイト - 太陽光発電や太陽熱利用の利用拡大方策の検討会。2008年2月に最終のとりまとめ「太陽エネルギーの飛躍的な利用拡大に向けて」を策定する。

研究開発

専門部署を有する研究機関

国立再生可能エネルギー研究所 (National Renewable Energy Laboratory, NREL) 公式サイト - 再生可能エネルギーや省エネルギー技術全般を扱う米国の研究所。
欧州機構共同研究センター(JRC)
Fraunhofer-Instituts fur Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) - ドイツの研究機構であるフラウンホーファー協会内で太陽エネルギーを専門とする研究機関。

日本

産総研太陽光発電工学研究センター - 専門の研究機関。太陽電池の標準の供給、各種関連技術の研究開発を行っている。
東京大学: 先端科学技術研究センター(RCAST)
東京工業大学: 小長井・山田研究室、太陽光発電システム研究センター
東京理科大学: 太陽光発電研究部門 - 2010年4月発足。各種太陽電池の他、宇宙用システム、システムの高信頼性化等も手がける

専門学会・展示会

国際学会

World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC) - 4年毎に地域を変えて開催される専門学会。 - OITDAによる専門学会に関する資料
European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (EU-PVSEC) - 欧州の専門学会。年々規模が拡大しており、2010年9月開催の第25回では学術セッションだけで参加者4540人、併設展示会（広さ8万平方メートル）への来場者38000人を記録している。25th EU PVSEC / WCPEC-5, September 2010, Valencia, Spain, Press Release
Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC) - 日本とアジア・太平洋地域で交互に1年半おきに開催。
IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) - 米国の専門学会。

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

日本太陽エネルギー学会 - 日本国内の専門学会。
PV Japan - 専門展示会を主体とする。2008年から下記の新エネルギー世界展示会と併催。
新エネルギー世界展示会 - 再生可能エネルギー全般を扱う展示会と学会。
PV EXPO - アジア最大の国際商談展示会。
日本学術振興会産学協力研究委員会次世代の太陽光発電システム第175委員会 - 次世代の太陽電池の各種技術開発に関する研究会・ワークショップ・シンポジウムなどを開催している。

専門論文誌

NGO・ユーザー団体

Renewable Energy Policy Network for the 21st Century(REN21) 公式サイト - 再生可能エネルギー全般について、世界の普及状況や政策に関する情報を収集・発信している、世界的なNGO組織。
太陽光発電所ネットワーク(PVowner Network Japan, PV-Net) - 日本のユーザー団体。
太陽光・風力発電トラスト
自然エネルギー推進市民フォーラム (REPP)
マメナジープロジェクト (mamenergy project)
エコロジー・エネルギー・フォーラム (Ecology Energie Forum)
RENDEV - EUと豊田通商の支援で国際NGOプラネットファイナンスが実施したバングラデシュ・インドネシアで貧困層向けのソーラーホームシステムの普及プロジェクト。
NPO法人日本住宅性能検査協会 - 太陽光発電アドバイザー試験実施団体

風力発電

百科事典

再生可能エネルギー


太陽エネルギー水力発電風力発電潮力発電波力発電海流発電地熱発電バイオ燃料バイオマス地中熱

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]

世界の風力発電の累計導入量予測^[4]

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]。

世界累計設置容量（2013年末）^[8]
順位	国名	容量(GW)
1	中国	91.4
2	アメリカ合衆国	61.1
3	ドイツ	34.3
4	スペイン	23.0
5	インド	20.2
6	イギリス	10.5
7	イタリア	8.6
8	フランス	8.3
9	カナダ	7.8
10	デンマーク	4.8
-	その他	48.3
	世界全体	318.1

世界新規設置容量（2013年)^[8]
順位	国名	容量(GW)
1	中国	16.1
2	ドイツ	3.24
3	イギリス	1.88
4	インド	1.73
5	カナダ	1.60
6	アメリカ合衆国	1.08
7	ブラジル	0.95
8	ポーランド	0.89
9	スウェーデン	0.72
10	ルーマニア	0.70
-	その他	4.75
	世界全体	35.29

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

「風力原動機」も参照

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]）

水平軸プロペラ式

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。

ローター部

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。

発電機部

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。

支持・構造部

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」も参照

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

「洋上風力発電」および「浮体式洋上風力発電」も参照

洋上風力発電所（コペンハーゲン沖のMiddelgrunden洋上風力発電所

洋上風力発電の累積設備容量推移^[31]

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

「各国の風力発電」も参照

欧州

Estinnes Wind Farm ベルギー

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]。

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

北海道に多い風力発電用風車

詳細は「日本の風力発電」を参照

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]

小型風力発電機の例
街路灯の頂上に設置し太陽光発電と併用

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

[隠す]

発電

発電機使用

汽力発電	火力発電 ·原子力発電 ·地熱発電 ·太陽熱発電 ·海洋温度差発電 ·核融合発電（核融合炉）
火力発電	内燃力発電 ·コンバインドサイクル発電 ·廃棄物発電
水力発電	揚水発電 ·マイクロ水力発電
海洋発電	波力発電 ·潮力発電 ·海洋温度差発電 ·塩分濃度差発電 ·海流発電
風力発電	陸上風力発電 ·洋上風力発電 ·浮体式洋上風力発電 ·凧型風力発電（英語版）
その他	冷熱発電 ·人力発電 ·炉頂圧発電

発電機不使用

燃料電池発電 · 太陽光発電 ·宇宙太陽光発電 ·熱光起電力発電 ·MHD発電 ·熱電発電 ·振動発電 ·ナノ発電

Portal:エネルギー

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]^[3]。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( $mv$ )または同一距離で比較するのか( $mv^{2}$ )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 $mv^{2}/2$ 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]。

「熱の仕事当量」および「エネルギー保存の法則」も参照

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。

「自由エネルギー」および「エクセルギー」も参照

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({\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、 $|\cdot|$ 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({\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、 $m i$ 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、

\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。

「力学的エネルギー」および「エネルギー保存の法則」も参照

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^[11]^[12]。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^[13]。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^[14]^{[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({\boldsymbol {p}})\to {\hat {K}}({\hat {\boldsymbol {p}}})={\frac {{\hat {\boldsymbol {p}}}^{2}\!\!}{2m}}

と定義される^[15]。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^[15]。

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。

{\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]。

「ハミルトニアン」、「固有状態」、および「固有値」も参照

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)=\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^[16]。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、 $\cdot$ 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)=\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 $E \cdot D$ 、および磁場と磁束密度の内積 $H \cdot B$ の和は^{[注 2]}、電磁場のエネルギー密度を与える^[17]。

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({\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^[18]。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^[19]。

-{\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^[20]。

{\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。

力学的エネルギー（機械的エネルギー）
- 運動エネルギー
- 位置エネルギー（ポテンシャルエネルギー）
  - 重力ポテンシャル（重力による位置エネルギー）
  - 弾性エネルギー
化学エネルギー
- イオン化エネルギー
原子核エネルギー
熱エネルギー
光エネルギー
電気エネルギー
静止エネルギー
音エネルギー
ダークエネルギー

単位

エネルギー energy
量記号	E
次元	M L² T⁻²
種類	スカラー
SI単位	ジュール (J)
CGS単位	エルグ (erg)
FPS単位	フィート・パウンダル (ft·pdl)
MKS 重力単位	重量キログラムメートル (kgf·m)
FPS 重力単位	フィート重量ポンド (ft·lbf)
プランク単位	プランクエネルギー ( $E P$ )
原子単位	ハートリー ( $E h$ )
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「エネルギーの単位」、「ジュール」、および「カロリー」も参照

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 $1 cal th = 4.184 J$ 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

詳細は「エネルギー資源」を参照

「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

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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

^ ^a ^b ^c ^d 小学館『デジタル大辞泉』。
^ ^a ^b ^c ^d 岩波書店『広辞苑』、第5版、301頁、「エネルギー」。
^ 朝永 1981, p. 67.
^ ^a ^b ^c ^d 培風館『物理学辞典』(1998)、pp.191-193。
^ ^a ^b ^c 『世界大百科事典』第3巻、pp.613-615、エネルギー。
^ 英: the vis viva dispute
^ 山本義隆、『古典力学の形成ニュートンからラグランジュへ』、日本評論社 (1997)、pp.181-184。
^ 英: Helmholtz free energy
^ 英: Gibbs free energy
^ 英: exergy
^ 江沢 2002, pp. 112-116, §6.3 観測.
^ 須藤, 2008 & 12.3 演算子と固有値・固有ベクトル, pp. 177-180.
^ 江沢 2002, pp. 127-128, §7.1 定常状態.
^ 江沢 2002, pp. 121-122; 127-128, §6.3 観測; §7.1 定常状態.
^ ^a ^b 江沢 2002, pp. 100-103, §6.1 物理量を表す演算子.
^ 砂川 1987, pp. 227-229, 第 5 章マクスウェルの方程式 §2 電磁場のエネルギーと運動量.
^ 砂川 1987, pp. 74-75, 第 1 章静電場 §6 静電場のエネルギーとマクスウェルの応力.
^ 砂川 1987, pp. 227-229; 284-286, 第 5 章マクスウェルの方程式 §2 電磁場のエネルギーと運動量; 第 7 章電磁波とその放射 §1 自由空間における電磁波.
^ 砂川 1987, pp. 111-112; 229-233, 第 2 章定常電流 §2 オームの法則; 第 5 章マクスウェルの方程式 §2 電磁場のエネルギーと運動量.
^ 砂川 1987, pp. 229-233; 284-286, 第 5 章マクスウェルの方程式 §2 電磁場のエネルギーと運動量; 第 7 章電磁波とその放射 §1 自由空間における電磁波.
^ 国際単位系 (SI) 第 8 版日本語版 pp.55–57。
^ 計量単位令（平成四年十一月十八日政令第三百五十七号）別表第六（第五条関係）十三。
^ International Energy Agency (IEA). “Unit Converter” (英語). 2012年4月29日閲覧。
^ 「エネルギー資源」『世界大百科事典』3、平凡社、616頁。
^ ^a ^b 「エネルギー革命」『世界大百科事典』3、平凡社、615頁。

参考文献

江沢, 洋『量子力学 I』裳華房、2002年4月15日。ISBN 978-4-7853-2206-9。
須藤, 靖『解析力学・量子論』東京大学出版会、2008年9月5日。ISBN 978-4-13-062610-1。
砂川, 重信『電磁気学』岩波書店〈物理テキストシリーズ 4〉、1987年1月29日、新装版。ISBN 4-00-007744-9。
朝永, 振一郎『物理学読本』みすず書房、1981年、第2。ISBN 4-622-02503-5。
『物理学辞典』培風館、1998年。
『デジタル大辞泉』小学館。
『広辞苑』新村出編、岩波書店、1998年、第5版。ISBN 4-00-080111-2。
『世界大百科事典』3、平凡社。
計量単位令（平成四年十一月十八日政令第三百五十七号）
国際単位系 (SI) 第 8 版日本語版

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