「太陽電池を立体的に配置すると出力が20倍以上増加」 MITが実証

このエントリーをはてなブックマークに追加
Share on Facebook

マサチューセッツ工科大学(MIT)の研究チームが、太陽電池の配置を三次元構造にすることで発電出力を大幅に向上できると報告しています。パネルを立方体型やタワー型などに配置した実験では、同一面積の基底面に平面パネルを固定した場合に比べて2倍から20倍を超える出力増加を確認。2軸式の太陽追尾型パネルと比べても1.3~1.8倍の増加が見られたといいます。

三次元的に配置された小型の太陽電池モジュール。今回の実験で使用されたものの一部 (Photo: Allegra Boverman)

太陽電池の出力増加が最大になったのは、高緯度地帯や冬季の数か月間、曇天など、出力の向上が最も必要とされている条件下だったとのこと。研究チームの電力工学准教授 Jeffrey Grossman氏は、このコンセプトが次世代太陽電池の重要な要素になるだろうと述べています。

研究チームは、コンピュータによるアルゴリズムを利用して膨大な数にのぼる可能な配置パターンを探索。また、すべての緯度・季節・天候条件下であらゆる配置パターンをテストできる分析ソフトを開発しました。次に、モデルによる予想を確認するため、三次元配置した太陽電池モジュールを作製。MITの研究棟屋上に設置し、数週間にわたってテストを行いました。

三次元モデルでは通常の平面パネルに比べて発電量当たりのコストは増加しますが、フットプリント当たりの出力が高くなることに加え、時間帯や季節の違いによる出力の変化、雲や日陰の影響による出力変動などが平準化されることから、従来のシステムよりも系統電力への接続が行いやすくなり、費用的にもある程度バランスがとれるといいます。

三次元構造によって出力が増加する基本的・物理的理由は、朝夕や冬場など太陽が地平線近くにあるときに垂直な面で捕集できる光の量が増えるためです。

支持構造や配線、設置工事といった関連コストよりも太陽電池自体の低コスト化のほうが速く進んでいることも、三次元システムにとって有利に働くと研究チームは見ています。

「10年前なら、このアイデアは経済的とは言えなかったでしょう。モジュールのコストが高かったからです」とGrossman氏。「シリコンセルのコストは、今やシステム全体のコストの数分の1に過ぎませんし、この傾向は今後もしばらくは続くでしょう」 現在では、太陽光発電のコストのうち最大65%が、設置工事や土地の使用許可、セル以外の部品に関連するとされます。

研究チームが行ったコンピュータ・モデリングでは、各面が内側にくぼんだ立方体といった複雑な形状のときに出力が最も向上することが示されましたが、このような構造は製造するのが難しいと考えられます。また、開発したアルゴリズムを使って、エネルギー損失が少なくなるように形状の最適化・単純化を行うことも可能であり、最適化された形状とより単純な立方体型の間の出力差は10~15%しかないことが分かっています。研究チームによれば、この程度の差は三次元形状による大幅な性能向上からすれば小さなものであるといいます。

研究チームが屋上試験で分析したのは、単純な立方体型と複雑なアコーディオン型でした。実験中、ほぼ2週間にわたって曇天が続いたため、当初はがっかりしたそうですが、実験データを調べたところ、従来の平面型パネルと比べて曇天時の出力向上が非常に大きくなることが判明したとのこと。テストした中でもっとも高さがあるアコーディオン型のタワーは、「運ぶときは平面にできて、設置現場で広げられる形状」をシミュレーションしたもの。このようなタワー型モジュールは駐車場への設置が可能であり、電気自動車の充電ステーションにもなるとします。

研究チームがこれまでモデル化してきたのは単体の三次元モジュールでした。次の課題は、タワー型モジュールの集合体について、1つのタワーから他のタワーに落ちる影が時間とともに動いていくところまで考慮した研究を行うことであるといいます。一般的に、三次元形状は、屋上や都市環境など設置スペースに制約がある場所で大きな効果を発揮します。また、タワー間にできる影の影響が最小化されるように配慮すれば、太陽光発電所などで大規模な用途で使用することも可能であるとします。

ジョン・ホプキンス大学 化学・生物分子工学准教授 David Gracias氏(今回の研究には関わっていない)は、Grossman氏らの研究について、「様々な入射角度の太陽光を受光できる三次元太陽電池の利点を理論的かつ実験的に示すもの」と評価しつつ、「課題はコスト効率の良い方法での量産化にある」と指摘しています。


発表資料

おすすめ記事

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...