再生可能エネルギーは成長しています。 2018 年のこれまでのところ、世界の正味追加電力容量の 70% が再生可能エネルギーでした。 REN2018による21年世界現状報告書による。 世界のエネルギーの XNUMX 分の XNUMX はすでに再生可能資源によるものであり、その数字は増加するばかりです。
この移行期において、太陽光発電は、最も有望で急速に成長している再生可能エネルギー源の XNUMX つとして最前線に立っています。
この記事では、太陽エネルギーの成長を記録し、新しい太陽光技術の開発に取り組む世界中の大学研究者の取り組みに焦点を当てます。
開花する業界
世界が持続可能なエネルギーに移行する中、太陽エネルギーは、地球に電力を供給するために使用する主要なエネルギー源の XNUMX つとして、再生可能革命の中心となると考えられています。
すでに、太陽光発電は過去 2017 年間で目覚ましい成長を遂げています。 405 年末時点で、世界で稼働している太陽光発電の総量は 89 ギガワットに達しており、そのうち 7% は過去 XNUMX 年間に設置されました。
しかし、 輸入太陽光パネルに対する関税の設定 最近、トランプ政権が今後数年間米国の太陽光発電生産を減速させるとの脅迫を課したが、太陽革命の勢いは止まらない。
2018 年に世界中で新たに設置された再生可能発電設備の XNUMX% は太陽光発電であり、化石燃料と原子力を合わせたものを上回っています。 中国が群をリードし、 52.8 年に 2017 ギガワット — 昨年追加された新たな太陽光発電容量の半分以上。 2018 年の第 XNUMX 四半期には、 の55％ を 電気 米国で追加されたのは太陽光発電（化石燃料、原子力、再生可能エネルギー源を含む）でした。
強気の市場は、イーロン・マスクの次の発言が正しかったかもしれないことを示唆しているようだ。 太陽光発電は世界最大のエネルギー源になる 2031によります。
しかし、太陽エネルギーがその可能性を最大限に発揮できるようになるまでには、やるべきことがまだあります。 世界中の大学が、画期的な研究の支援、太陽光発電技術の開発、キャンパスへの太陽エネルギーの設置など、太陽光発電への切り替えの取り組みに多大な貢献をしています。
スタンフォード — 太陽と風力エネルギーを蓄える水ベースのバッテリー
スタンフォード大学の研究者は、 低コストの水ベースバッテリー これは太陽エネルギーや風力エネルギーの貯蔵に使用でき、再生可能エネルギーへの完全な移行に対する最も重要な障害の XNUMX つに対する解決策となる可能性があります。
彼らは高さわずか 20 インチ、発電量がわずか XNUMX ミリワット時という小さなプロトタイプを開発しましたが、モデルを産業グレードのシステムまでスケールアップできると自信を持っています。
マンガン水素電池は、水と安価で豊富に存在する工業用塩である硫酸マンガンとの化学反応に基づいて動作します。 この反応は、の研究室で開発されました。 イ・クイ、材料科学および工学の教授であり、この論文の上級著者です。
「我々がやったことは、特殊な塩を水に投入し、電極に落とし、電子を水素ガスの形で蓄える可逆的な化学反応を引き起こしたことだ」と崔氏は声明で述べた。
バッテリーに電力が供給されると、電子が水中の硫酸マンガンと反応し、二酸化マンガンが電極に付着します。 このプロセスでは、電気に変換できる帯電した水素ガスが生成されます。
太陽光発電や風力発電への移行には、エネルギーの貯蔵と分散の方法を大きく変える必要があります。 これら XNUMX つのエネルギー源は非常に変化しやすいものです。 つまり、太陽が常に輝いているわけではなく、風が常に吹いているわけではありません。
これにより、エネルギー網に負担がかかります。 太陽が輝いていないときに需要が急増した場合、電力会社は短期間で大量のエネルギーを送電する方法を用意する必要があります。 通常、電力会社は、数分以内に電源を投入して迅速なエネルギーを生成できる、いわゆる「派遣可能」発電所を備えています。 この戦略は効果的ですが、発電所は通常、化石燃料に依存しているため、厳密には気候に配慮したものではありません。
風力と太陽のエネルギーをピーク時に大容量バッテリーに蓄えて使用することで、クリーンな代替手段が提供されます。 このオプションを公益事業のための雨の日の資金として考えてください。 需要が高く太陽が低い場合、電力会社はバッテリーに蓄えられたエネルギーを簡単に利用できます。
課題は、信頼性と低コストの両方を備えたバッテリーを作成することです。 携帯電話やノートパソコンの充電式リチウムイオン電池は希少な材料を使用しているため、大規模に使用するには高価すぎます。
「他の充電式電池技術は、寿命全体でそのコストのXNUMX倍をゆうに超えています」と崔氏は声明で述べた。
安価で豊富な材料で構成された新しいバッテリーが解決策になるかもしれない。
エール大学、プリンストン大学、リンカーン大学、NASA — 藻類からの太陽エネルギー
ソーラーパネルが発明されるずっと前から、藻類はすでに太陽エネルギーを利用していました。 藻類は、すべての光合成生物と同様に、数十億年の進化によって光の吸収が生物学的に最適化されてきました。
今回、イェール大学、プリンストン大学、リンカーン大学、NASAの研究者チームが発見した。 藻類の光合成能力をどのように利用するか 有機太陽電池パネルの性能を向上させます。
この研究は、 アンドレ・テイラー、イェール大学の化学および環境工学の准教授であり、大学を運営しています。 変形材料・デバイス研究室.
太陽光が有機太陽電池に当たると、「活性層」内の電子がエネルギーを受け取り、太陽電池パネルのコアを通ってエネルギーを移動させ始めます。
活性層の作成に使用される材料は非常に希少で高価です。 この事実は、ソーラーパネル開発者にとって問題となっています。
しかし、研究者らは、「珪藻」または「海の宝石」として知られる豊富な種の藻類を使用して、活性層の性能を向上できることを発見した。
これらは太陽電池の活性層全体に珪藻を分散させ、同じレベルの電気出力を維持しながら活性層に必要な材料の量を効果的に削減しました。
テイラー研究室の博士課程の学生で、この研究の筆頭著者であるリンジー・マクミロン・ブラウン氏は、「適切な濃度がどのくらいなのか、また、太陽電池を強化するにはどのくらいの量の材料を太陽電池に投入する必要があるのかを知ることができた」と述べた。声明。 「私たちが使用している活性層材料は高価で非常に希少であるため、これは非常に有益です。」
技術の開発を続ける中で、研究者らはソーラーパネルの性能を最適化することを期待して、さまざまな種類の藻類を実験している。
「この研究が、工学的問題を解決するために生物模倣または生物にインスピレーションを得た設計を活用する機会にさらに光を当てることを願っています」とマクミロンブラウン氏は述べた。
「自然は、工学上の問題の多くに対処するために使用できる多くのソリューションを開発してきました。私たちはそれらを適応して適用する方法を学ばなければなりません。」
ミシガン州 — 透明ソーラーパネル
ミシガン州立大学の技術者のグループは、板ガラスと同じように見える透明なソーラーパネルがエネルギー生成に革命をもたらす可能性があると主張している。
2014年、MSUの研究者らは、 新しいタイプの太陽光集光器を開発しました 太陽からの目に見えない光を収集し、使用可能なエネルギーに変換することができます。 パネルは完全に透明なので、窓から携帯電話まで、さまざまなガラス表面に設置できます。
In もっと最近の論文、科学者らは、この技術がさらに最適化されれば、太陽エネルギー収集の新たな機会を無数に開く可能性があると報告しました。
「透明性の高い太陽電池は、新しい太陽光発電用途の未来の波を表しています。」 リチャード・ラントとMSUの化学工学および材料科学のヨハンセン・クロスビー寄付准教授は声明で述べた。
「私たちはその可能性を分析し、目に見えない光のみを収集することで、これらのデバイスが屋上太陽光発電と同様の発電能力を提供しながら、建物、自動車、モバイル電子機器の効率を高める追加機能を提供できることを示しました。」
研究者らは、米国には推定5億から7億平方メートルのガラス表面があると指摘している。そのガラスすべてが透明なソーラーパネルで覆われていれば、米国のエネルギー需要の40パーセントをその供給源だけから取り出すことができるだろう。
不透明な屋上ソーラーパネルの推定可能性も約 40% です。 研究者らは、この透明セルを屋上のソーラーパネルと組み合わせて使用できる可能性があると示唆している。
ラント氏は声明で、「両方の技術を補完的に導入することで、エネルギー貯蔵も改善できれば、需要を100パーセントに近づけることができるだろう」と述べた。
当分の間、透明太陽電池は依然として従来の太陽電池パネルより効率がはるかに低いです。 従来のほとんどのソーラーパネルの効率は約 5 ～ 15 パーセントであるのに対し、18 パーセントを超える効率を記録しています。
しかし、ラント氏は、さらなる開発が進めば、少なくとも従来のソーラーパネルと同等の効率に近づくことができるだろうと述べた。 同氏は、透明ソーラーパネルはまだ非常に新しい技術であり、現時点では現実的な全体的な可能性の約XNUMX分のXNUMXにすぎないと強調した。
「それが我々が目指していることだ」とラント氏は声明で述べた。
「従来の太陽電池への応用はXNUMX年以上にわたって活発に研究されてきましたが、私たちがこのような透明性の高い太陽電池に取り組んでいるのはわずかXNUMX年ほどです。 最終的に、この技術は、これまでアクセスできなかった大小の表面に、安価で広範囲に太陽光発電を導入するための有望な手段となります。
メリーランド大学 — 持続可能な「部品のキットとしての家」
メリーランド大学の学生チーム 米国では第一位、世界では第二位 米国エネルギー省の Solar Decathlon 2017 で、回復力のある Adaptive Climate Technology (reACT) と名付けられた、エネルギー効率の高い太陽光発電住宅のプロトタイプのエントリーが評価されました。
十種競技は、フルサイズの太陽光発電住宅の設計を世界中のチームに競う毎年恒例の国際競技会です。
UMD チームが設計したプロトタイプは、「パーツのキットとしての家」と表現されています。 中庭を中心とした XNUMX つの適応可能なモジュールで構成されています。
中庭は家の中心として機能します。 快適なサンルームとしてだけでなく、空気と水を予熱するための広々としたソーラーコレクターとしても機能します。
この家には、構造から独立したリビングシステムを備えたパネル張りのインテリアも含まれており、所有者は家を自分のニーズや要望に合わせることができます。 完全な自給自足で運営されており、廃棄物、水、エネルギーを回収するシステムが含まれています。
研究者らは、reACTは自然と完全に調和するように設計されていると述べた。
「有機物を一切無駄にせず、自然と調和した家を建てるために、可能な限り多くの場所で統合的かつ総合的なデザインソリューションが模索されました」と建築学部計画学部コミュニケーション・対外関係部アシスタントディレクターのクリス・セステッロ・ヒノホサ氏は語る。そして保存。
「私たちは、バイオフィリアと再生の哲学に基づいて設計しました。 それはあるプロセスの「廃棄物」製品を他のプロセスのためのリソースとして利用できるようにするための用途を見つけることです」
カリフォルニア大学アーバイン、カリフォルニア工科大学、カーネギー科学研究所 — 風力と太陽光から米国のエネルギーを調達
カリフォルニア大学アーバイン校、カリフォルニア工科大学、カーネギー科学研究所の研究者らによる共同研究では、米国は大規模な投資により、 電力需要の 80% を確実に調達 風力と太陽光発電だけで。
この研究は、太陽光発電や風力発電は性質上変わりやすい天候に依存するため、信頼性が低すぎるという懸念を払拭するのに役立つ。
「日は沈むが、風はいつも吹くとは限らない」 スティーブン・デイビスと、UCIの地球システム科学准教授で研究論文の共著者でもある同氏は声明で述べた。 「これらの資源に基づいた信頼性の高い電力システムが必要な場合、毎日の変化や季節の変化にどのように対処すればよいでしょうか?」
研究者らは、太陽と風の変動がこれら 36 つの情報源の信頼性にどれほど大きな影響を与えるかを理解するために、1980 年間（2015 年から XNUMX 年）の米国の時間ごとの気象データを分析しました。
「80％という数字は、太陽と風の自然変動に帰着します」とデービス氏は言う。 「これら 80 つの電源から電力の XNUMX パーセント以上を取得したい場合、必要なエネルギー貯蔵量、または太陽光発電と風力発電の容量が急激に増加します。」
80パーセントのマークに達するためには、米国は太陽光と風力エネルギーのあらゆる側面に多額の投資をし、エネルギーを確保できるようにする必要があるが、より重要なことに、天候の変化に耐えられる十分な埋蔵量を確保する必要がある。
「この分析では、それらの資源を活用するために、太陽電池パネルと風力タービンを大量に建設することが想定されています」とデービス氏は述べた。
「しかし、80％に到達するには、エネルギー貯蔵か、送電線を介して国中に電力を移送する能力の大幅な増加も必要になります。」
この投資には、大陸規模の送電網や、国全体で最大12時間のエネルギーを蓄える施設の建設が含まれる。 このようなプロジェクトには、今日の数兆ドルとは言わないまでも、数千億ドルの費用がかかる可能性がありますが、価格の下落により、将来的には実現可能性が高まる可能性があります。
私たちのエネルギーを 100% 風力と太陽光から調達する可能性は低くなります。 コストは 80% のしきい値を超えると急激に増加します。 そのためには、XNUMX倍の太陽光パネルと風力タービンを建設するか、数週間分の貯蔵庫を用意する必要がある。
これは、太陽光や風力を他のエネルギー源で補う必要があることを示唆しており、これには水力発電などの再生可能オプションや原子力などのクリーンな非再生可能電源の両方が含まれる可能性があります。
それにもかかわらず、この研究結果は再生可能エネルギーの将来にとって良い前兆である。
「風力と太陽光だけで電力の80％を賄えるという事実は、本当に心強い」とデービス氏は声明で述べた。
「20 年前、多くの人がこれらの資源が 30 ～ XNUMX パーセント以上を占めるのではないかと疑っていました。」
だから、これはどこから私たちを離れるのでしょうか？
やるべきことがまだ大量にあることは明らかです。 現時点では、私たちは気候変動との戦いにおいて逆向きに取り組んでいます。 もう使い切ってしまいました その年の天然資源、そして気候変動の影響は、 ますます明確になり、より危険になりました.
しかし、太陽光発電の大幅な進歩は、今後数年間で解決策、あるいは少なくとも再生可能エネルギーへの移行を実現する方法を提供する可能性があります。 2017 年、米国のエネルギーのわずか 1.3% 太陽光から供給されました。 太陽光発電技術への継続的な投資と開発により、その数は今後数年間で確実に増加するでしょう。
世界中の大学研究者の先駆的な努力がなければ、そこに到達することは不可能です。
