太陽熱発電の仕組みは?太陽光発電とは違うメリットやデメリットを徹底解説!

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太陽熱発電の仕組みは?太陽光発電とは違うメリットやデメリットを徹底解説!

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太陽熱発電は再生可能エネルギーでもある太陽光の熱を利用した発電方法です。

発電にあたって地球温暖化ガスであるCO2をほぼ排出せず、地球環境への負荷を抑えられることで、次世代の発電方法としても期待されています。

この記事では、太陽熱発電導入にあたって知っておきたい発電の仕組みやメリット・デメリット、おすすめのポータブル電源システムについてわかりやすく解説します。

太陽熱発電の仕組み

太陽熱 発電

太陽熱発電は、太陽光から変換された熱エネルギーによって蒸気を発生させ、その蒸気によってタービンをまわすことで電力を発生させる発電方法です。

太陽熱発電システムは、太陽光を集める集光・集熱部と実際に熱エネルギーを発生させるタービンに分けられます。

なお、太陽光発電は言葉がよく似ていますが、仕組みの異なる発電方法です。

太陽熱は風力エネルギーやバイオマスエネルギーと並ぶ再生可能エネルギーであり、半永久的に利用できることから、エコロジカルな発電方法として近年特に注目されています。

また、太陽熱発電は他の再生可能エネルギーと同様に稼働中の二酸化炭素の排出量が少なく、地球環境への負荷が抑えられることからも、SDGsの理念に沿った次世代の発電方法として期待されています。

4つの太陽熱発電システムの種類

太陽熱 発電

太陽熱発電システムは集熱部の構造の違いによって、以下の4つの種類に分けられます。

  • パラボラ・トラフ型
  • リニア・フレネル型
  • タワー型
  • ディッシュ型

ここでは、それぞれの太陽熱発電システムの特徴やメリット・デメリットを解説します。

パラボラ・トラフ型

パラボラ・トラフ型は、細長いパイプ内にオイルなど特殊な液体を流し熱エネルギーを集める方式です。パイプの周囲に設置された曲面ミラーによって太陽光を一点に集めます。

特殊なミラーを使って光を一か所に集めるのは、熱エネルギーをより効率的に生み出すためです。

なお、オイルのように熱を引き寄せるために用いられる液体を熱媒と呼びます。

パラボラ・トラフ型は構造が比較的単純なため装置の設置コストが低く、広大な土地さえ確保できれば大規模な発電システムを構築可能です。

リニア・フレネル型

リニア・フレネル型は角度が微妙に異なる凸面鏡を複数枚設置して太陽光を集め、上方に設置されたパネルに送ることで熱エネルギーを生み出す方式です。

曲面ミラーを複数枚使用する点でパラボラ・トラフ型とは異なっています。

また、リニア・フレネル型はパラボラ・トラフ型と比較しても基本的な構造がシンプルなため、生産コストが安く抑えられる点がメリットです。

さらに他の太陽熱発電システムと比較しても風の影響を受けにくく、環境をきちんと整えれば安定した大規模発電もできます。

曲面ミラー1枚あたりの発電効率はやや低いため、広い土地が確保できるエリアに向いている発電システムのひとつです。

タワー型

タワー型は、地上に降り注ぐ太陽光を高い位置の集熱部に集約することで熱エネルギーを生み出します。1本のタワーを何百枚もの平面鏡が取り囲むのが基本構造です。

パラボラ・トラフ型やリニア・フレネル型とは異なり、ミラーに凹凸はありません。

平面鏡群はヘイオスタットと呼ばれ、自動制御によってタワーの集熱部に光を送りつづけています。

ヘイオスタットは最高で1,000度以上まで加熱可能です。そのため発電効率が高く安定していますが、複雑なシステムの制御には高度な技術が必要であり、事故を防ぐ仕組みが求められます。

ディッシュ型

ディッシュ型は、パラボラアンテナのような放物曲面状の鏡と中心部の電力変換ユニットで構成される発電システムです。

曲面ミラーは直径5~15m程度で、1日あたりの発電量は平均して5~50kWとされています。

他の太陽熱発電システムと比較しても小規模での運用が可能であり、過熱を防ぐための冷却水が不要なため、設置コストが抑えられる点がメリットです。

ディッシュ型は技術的に発展途上のため、現時点での普及率はそれほど高くありません。

ただし、実証実験による技術開発は着実に進んでおり、将来的には大規模ユニットへの応用も視野に入れられています。

太陽熱発電のメリット

太陽熱 発電

太陽熱発電システムの主なメリットは以下の通りです。

  • CO2排出が抑えられる
  • 導入コストが安い
  • 夜間でも発電できる
  • 半永久的に利用できる

太陽熱発電システムは利用しやすい再生可能エネルギーであり、地球環境にやさしい発電システムとして注目されています。

また、SDGsの理念に沿っているため、企業だけでなく個人にとっても導入は重要な課題です。

ここでは、太陽熱発電システムを導入する主なメリットについて具体的に解説します。

CO2排出ゼロで環境にやさしい

太陽熱発電がエコロジカルな発電システムとして注目されている理由は、CO2の排出量が抑えられているからです。

太陽熱発電システムでは発電の過程でCO2をはじめとした温室効果ガスがほとんど排出されないため、地球環境への負荷が低い発電方法として期待されています。

発電過程でのCO2排出量を1kWh単位で見た場合、一般的に普及している寿命30年の太陽熱発電システムを使用したと仮定すると、17~48gです。太陽熱発電システムの場合、火力発電のように化石燃料を使用しないため、発電過程でのCO2排出を限界まで抑えられます。

火力発電のCO2排出量が平均で690g/kWh、それ以外の発電システムを含めた平均が360g/kWhのため、太陽熱発電システムが他の発電システムと比較しても際立ってCO2排出が少ないといえるでしょう。

上記の数字は排出源単位であり、CO2以外の温室効果ガスを含めたデータです。


発電システムによるCO2削減は世界的にも求められており、脱炭素の流れでも太陽熱発電システムの導入は大きな意味を持っています。

太陽光発電と比較しても低コストで設置可能

太陽光発電と比較した場合、太陽熱発電はより低いコストで導入可能です。

太陽光発電の場合、一般家庭で設置される4.90kWh用をもとに考えると、初期費用のみで平均150~200万円程度がかかります。

一方、太陽熱発電であれば太陽光発電よりも低コストで設置できます。太陽光発電のシステムと比較しても必要な設備の構造が簡単なため、必要な装置が少なく低コストで設置可能です。

蓄熱によって夜間でも発電可能

夜間の発電が可能である点も、太陽熱発電システムの大きなメリットです。

太陽光発電の場合、太陽が出ない夜間は基本的に発電ができません。また、日照時間が短くなる冬場や梅雨時期も発電効率が著しく下がってしまいます。

一方、太陽熱発電であれば集熱部にいったんエネルギーを溜められるため、日中に蓄積した光エネルギーを使うことで夜間も発電可能です。

資源が枯渇する心配がない

太陽熱発電は、持続可能性の面でも注目されています。

化石燃料の寿命(採掘可能年数)で見た場合、火力発電で使用される石炭は残り118年、原子力発電で使用されるウランは残り106年です。

火力発電と原子力発電はともに現在の日本で高い比重を占めており、資源の枯渇問題からも次世代エネルギーの導入が強く求められています。

一方、太陽熱発電では太陽光をエネルギーとして利用するため、資源が枯渇するリスクがほぼありません。

さらに、太陽光は原子力とは異なり安定性が非常に高く、大規模な事故につながるリスクが低い利点もあります。

東日本大震災以降、日本では原子力エネルギーの危険性があらためて指摘されており、原子力発電所の再稼働については懸念があるのも事実です。

どれだけ便利で効率が良くても、発電にリスクが伴うのでは意味がありません。

限られた資源を最大限有効に利用し、安全性の高い発電システムを次世代に残す意味でも、太陽熱発電が担う役割は今後ますます大きくなると予測できます。

太陽熱発電のデメリット

太陽熱発電には以下のようなデメリットがあり、導入にあたっては慎重な比較が必要です。

  • 設置面積が広い
  • 湿度による影響を受けやすい
  • 日照量が少ないと発電効率が下がる

こちらでは太陽熱発電の主なデメリットについて詳しく解説します。

設置には広い土地が必要

太陽熱発電の大きなデメリットは設置面積の広さです。

太陽熱発電システムの中でも大規模なタワー型の場合、タワーの周辺に数百枚単位の平面鏡を置く必要があります。

太陽光発電と比較した場合、太陽熱発電ではそれと同等かそれ以上の設置面積が必要です。参考までに、太陽光発電の設置面積の早見表を掲載します。

設置容量パネル枚数必要な有効面積
10kW34枚~130~180平方メートル
30kW100枚~295~400平方メートル
50kW167枚~490~700平方メートル
80kW※低圧・過積載267枚~700~930平方メートル
100kW※低圧・過積載334枚~940~1340平方メートル

太陽熱発電も太陽光発電と同様、発電の容量やパネルの枚数に応じた設置面積が必要です。

最近ではディッシュ型のように比較的小規模なエリアでも設置できる太陽熱発電が開発されていますが、本格的な実用化にあたってはまだまだハードルが高いといわれています。

湿度の影響で発電効率が下がる

天候だけでなく、湿度の影響を強く受けやすい点も太陽熱発電のデメリットのひとつです。

集めた太陽光を熱エネルギーに変換する集光ミラーは湿度に弱いため、高温多湿のエリアでは安定して稼働させづらいとされています。

日本は湿度の高いエリアが多く、特に梅雨の時期にはほとんどの地域で高温多湿となるため、太陽熱発電システムがメインの発電方法として導入しにくいのが現状です。

日照量の問題で日本では不向き

太陽熱発電は持続可能性が高く、優れた発電システムですが、日照量が安定しない日本では不向きな発電方法と考えられています。

日本国内で年間の日照時間が最も短いのは秋田県(1,527時間)です。次いで青森県(1,589時間)、山形県(1,617時間)という順になっており、東北地方にかけて日照時間が短くなっていることがわかります。

また、日照時間が年間を通して長い山梨県(2,225時間)であっても、日本の天候は周期的に変化しやすく数日単位で雨が降りやすいため、太陽熱発電の本格導入には向いていないのが現状です。

日本における太陽熱発電普及の状況

太陽熱 発電

具体的な数字を見ることで、日本における太陽熱発電の普及状況を把握できます。

資料のうえでも、太陽熱発電は期待度の高い発電方法です。

経済産業省が公表している2022年度エネルギー需給実績によると、太陽光発電を含む太陽熱発電の比率は9.2%であり、再生可能エネルギーの中では最も大きいウェイトを占めています。

発電容量で見ても2021年時点でアメリカに次ぐ世界第3位にランクインするなど、少なくともデータのうえでは普及に向けた土台が整いつつあるといえるでしょう。

一方で、住宅用太陽光発電システム(10kWh未満)に限定した場合、導入件数は2012年度の27.2万件をピークに減少を続けています。特に2017年度~2020年度までの4年間は平均14.3万件の導入で推移しており、普及率が順調に伸びているとはいえないのが現状です。

太陽熱発電は太陽光発電のうち、さらに小さな比率を占めており、一般家庭での本格普及にはまだまだハードルが高いといえるでしょう。

しかしながら、カーボンニュートラルの理念に沿った発電方法への転換はすでに世界規模の流れです。

日本でも電力自由化が導入され、環境に配慮した電力会社が評価されていることから、今後少しずつ太陽熱発電システムが普及していくと考えられます。

まとめ

太陽熱発電は太陽光を熱エネルギーに変換することで電力を生み出す発電方法です。

発電過程でCO2をほとんど排出しないため、再生可能エネルギーを利用した発電方法として注目されています。

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