エネルギーについて考えるソーラーパネルの活用

テーマはエネルギーと食料プロジェクト。画像はスペイン アルメリア県の野菜工場です。これがヒントで現在進みつつあるハートクイエク 仙台 BASE CAMP周辺の災害復興（案）として屋根にソーラーパネルを取り付けて、ＬＥＤの光源で野菜とか果物を栽培する「植物工場」とソーラー発電所を考えてみました。早速、関連する情報の収録をしましたので参考資料としてご覧下さい。若林キャンパスでの講座に取り上げてみてはと思います。

この画像はスペイン南部、雨の少ない平原を埋め尽くす温室。ここは温室による栽培で、世界一の規模を誇る。水と肥料を効率的に利用し、冬場にトマトを収穫するなど、年間を通じて作物が育てられ、トラックで北部に運ばれる。世界的に見れば、穀物と食肉の生産量を増やすことが課題だ。2050年までにさらに20億人分の食糧を確保しなければならなくなる。
出典：Photograph by Edward Burtynsky

これだけ広い野菜工場の屋根にソーラーパネルを敷き詰めれば、ソフトバンク、孫社長が提案する、大規模な太陽光発電施設が実現し原発から自然エネルギーの利用に転換できそうです。早速、実験野菜工場のプロジェクトをはじめようではありませんか。私たちもこの地域でソーラー温室を作り、地元の皆さんの参加でアラバマ発電所の企画をはじめようとしています、自由大学の皆さんと、ご一緒に考えて行きたいと思います。

経済産業省の支援策② 植物工場モデル設置事業に対する支援内容　私たちが始めようとする「植物工場」にたいしてピッタリの支援が得られるようだ。この支援を活用させていただいて、以下に示すソーラーハウスをベースとした「植物工場」の提案を取りまとめていきます。観光農園として、イチゴとかメロンを自分の手で摘んで食べることが出来るし、通信販売で購入することも可能にする、また、会員制にして自分の好きなものを育てられるようにします、週末は家族で手入れをしウイークデーは自宅のＰＣでインターネットを通じて管理します。

低炭素社会に向けた技術発掘・社会システム実証モデル事業

秋田県大潟村の「道の駅おおがた」で地域版スマートグリッド（次世代電力網）の実証実験が行われている。秋田大学やＴＤＫなどが進めるもの で、道の駅で使う電力の一部を太陽光発電や風力発電、蓄電池で賄おうとする試みだ。発電量は最大で約１７キロワット。自然エネルギーで発電した電力を直流 のまま給電し、交流への変換ロスのほか配電ロスも低減する。省電力効果や二酸化炭素の排出削減効果が期待できる。４月末から７月までデータを集め「地産地 消エネルギーインフラ」の実用化を目指す。
太陽光パネルと風車で発電した電力を、駐車場やビニールハウスで用いる発光ダイオード（ＬＥＤ）照明のほか、直流用に改造したエアコン、冷蔵庫などで利用する。蓄電池も活用し、出力の不安定さを補う。ＴＤＫは蓄電装置向けデバイスの実証をはじめ、ＤＣ／ＤＣ（直流／直流）コンバーターやパワーマネ ジメントシステムの構築などを担う。　同実証実験には秋田大とＴＤＫのほか、キュービックエスコンサルティング（東京都品川区）やアイセス（秋田県井川町）、本荘電気工業（秋田市）、ＭＥＣＡＲＯ（秋田県潟上市）などが参加している。

これから積極的に使われると思う発電パネルを取り上げます。このパネルを５０枚（63kw/h）を屋根に敷き詰めます、パネルはシャープから提供していただき、敷地にモデルソーラー温室を展示できるようにする案は如何でしょうか。床面積は８ｍ×17ｍ＝136㎡、１日８時間発電することが可能だとすると500ｋｗの電力が使えることになります。時代は来型農業生産システム「植物工場」を積極的に進めようという国の施策にも明示されています。モデルシステムを製作し多くの人に賛同がいただけるプロジェクトを立ちあけてみませんか。

仕様
型名 高出力タイプ　NQ-260LW
セル種類 単結晶
公称最大出力※1 260W
公称最大出力動作電圧 31.10V
公称最大出力動作電流 8.37A
公称開放電圧 38.20V
公称短絡電流 8.99A
静荷重 2,400Pa
積雪 50cm（4ヶ所固定）
外形寸法（幅×奥行×高さ） 1,626×980×46mm
質量 19.0kg
公称最大出力の数値は、JIS C8918で規定するAM1.5、放射照度1,000W/m2、モジュール温度25℃での値です。

ソフトバンク、大規模な太陽光発電施設の建設検討　に書かれている　ソフトバンク側の構想では、同社と各府県が太陽光発電事業を行う共同企業体を設立。府県の所有地など１０カ所に、一般家庭６万世帯分の電力をまかなう計２００メガワット規模のメガソーラーを開業させる。電機大手・シャープなどが太陽光パネルを供給。総額約８００億円を見込む建設費用はソフトバンクが大半を負担するが、自治体に各１億円程度を出資してもらうことも検討するという。
「自然エネルギー協議会」に３３道府県が参加意向
ソフトバンク・孫社長、脱原発の「自然エネルギー財団」設立を発表

　ソフトバンクの孫正義社長は2011年4月20日、民主党の東日本大震災からの復興ビジョンを検討する会合で、「自然エネルギー財団」を設立すると発表した。
　孫社長は、東日本大震災の被災者を支援するため、すでに個人で100億円を寄付すると発表していたが、これとは別に新たに設立した「自然エネルギー財団」へ10億円程度を提供するとされる。「脱原発」を目指すこの財団では、世界からトップレベルの科学者100名を結集し、自然エネルギーの研究発表や政策の提言を行うという。
　また、会合で孫社長は具体的な復興プロジェクト例として「東日本ソーラーベルト構想」を提案。これは、津波の被害を受け塩害により農地として使えなくなった地域を中心に太陽光や風力による発電をおこない、エネルギーだけでなく雇用をも創出していくというものだ。孫社長は、構想について「日本は世界一のテクノロジーを持っている。世界最大のソーラーベルトを作れば、21世紀にもう一度日が登る」と期待を込めて語った。

ということなら下記に示す企業に相談してみるのが早道だ。
シャープエンジニアリング株式会社 仙台サービスセンター
宮城県仙台市若林区卸町東3-1-27

アイデアをまとめてプランを作成しようではありませんか。基礎と建屋は専門家が仲間にいることだし短時間で原案が作れると思います。野菜を作るだけではなくアサリとかハマグリの幼貝を育てて名産品になるようなものも作れるように考えてみたい。

参考になる情報を以下に集めてみましたのでご覧下さい。
最近の半導体技術を眺めてみると圧倒的な低損失性能、研究開発成果が物語るSiCデバイスの実力認められます。三菱電機　先端技術総合研究所 パワーエレクトロニクスシステム開発センターの情報ではSiCを利用すれば、大幅な電力損失低減を見込める。我々は、この省エネの切り札「SiC」を実用化すべく、さまざまな研究開発に取り組んでいる。過電流保護機能を搭載した「フルSiC」のインテリジェントパワーモジュール、鉄道用に試作した300kW級インバータ、SiC MOSFETを搭載した太陽光発電用パワーコンディショナーなど、最新の研究成果からSiCデバイスの実力をうかがうことが出来ます。

農業の近代化が求められる時代　LED光源が注目されています
全世界の人口増加に伴って食料不足の問題に関心が集まっています。このまま世界人口が増え続け、世界各国が近代化していけば、エネルギーの不足だけでなく、食糧危機が訪れることも現実のものとなってきました。そのような事態を防ぐためにも、農業の近代化が求められています。

行政の取り組みを見ると

経済産業省では、地域活性化戦略の一環として、農林水産省と連携し、農業の高度化を産業技術面から支援する「農商工連携」を推進し、各種支援策を進めております。（「新経済成長戦略の改訂とフォローアップ」（平成20年9月閣議決定））
この一環として、施設内で、植物の生育に必要な環境を、LED照明や空調、養液供給等により人工的に制御し、季節を問わず連続的に生産できるシステムである「植物工場」（PDF形式：151KB）は、我が国の農産物供給の将来を担うものとして期待されています。

植物工場を考えてみることは時代にあっていることがわかりました。
環境条件を人工的に制御し、季節に関係なく野菜を連続生産！
未来型農業生産システム「植物工場」を経済産業省ロビーに設置開始

施策の背景
植物工場には一例として以下のような魅力があります。
１年中安定的に生産が可能。
工業団地・商店街の空き店舗等農地以外でも設置可能。
無農薬で安全・安心な農産物の提供が可能。
作業平準化が容易で農業初心者の雇用が可能。
快適な環境により、高齢者や障害者の就労が可能。

植物工場の課題
普及には以下のような課題もあります。
エネルギーや施設整備等のコストが高い。
栽培技術が確立されていない。
栽培技術と施設の管理技術の双方を持ち合わせた人材が不足している。
生産できる品種や作物が限定されている。

今後の取組
経済産業省では、これまで植物工場に関する研究開発、実用可能性の調査等への支援を行ってきましたが、先出の「新経済成長戦略2008」で植物工場の普及・拡大が求められたことからさらなる支援に向け、農林水産省と共同で「農商工連携研究会植物工場ワーキンググループ」を設置しました。同ワーキンググループでは、植物工場の更なる普及促進における課題を抽出するとともに、植物工場の設置にかかる規制・制度のあり方を整理します。施設整備、金融、人材育成等の支援措置についても検討します。

農山漁村の活性化
　農林水産省

·食と地域の交流促進対策交付金
·『田舎で働き隊！』事業（農村活性化人材育成派遣支援モデル事業）
·食と地域の『絆』づくり
·農山漁村活性化法関連
·農山漁村（ふるさと）地域力発掘支援モデル事業
·新たな農村コミュニティづくり
·農山漁村活力再生・支援事業（旧 農村コミュニティ再生・活性化支援事業）
·美の里づくり総合サイト
·食アメニティコンテスト
·農山漁村の郷土料理百選
·エコツーリズムの推進について
·立ち上がる農山漁村
·地域活性化人材情報
·田園空間博物館
·農林漁家民宿おかあさん100選について［外部リンク］
·地域活性化総合情報サイト（内閣府）［外部リンク］

宮城県農林水産部農村振興課（担当者：浅野、岩井、横田）
代表：022-211-2111（内線2862）ﾀﾞｲﾔﾙｲﾝ：022-211-2862
FAX：022-211-2890

参考資料
植物工場を計画しよう。
植物工場の事例集
観光農園
植物工場を巡る現状と課題
地域イノベーション創出研究開発事業２００９/２０１０秋田・大潟村で地域版スマートグリッドの実証実験
完全人工光型植物工場
太陽光・人工光併用型植物工場
平成２３年度農商工連携支援策のご案内　　　農商工連携施策利用ガイドブック
平成23年度「農商工連携」関連予算(１１３億円)
平成２３年度６次産業総合推進委託事業における実施者（支援事業体）の公募、６次産業化プランナー候補者の募集について
水産業の未来を切り拓く新技術の開発及び普及


太陽光発電パネルについて『太陽電池」のキホン』 佐藤勝昭 著　を参考に必要な部分を抜書きしました。
先ず、実験室規模の小さなテーマの検討からはじめます。
建材としての太陽電池　設置方法による分類

屋根に設置する太陽電池パネル（モジュール）は、その設置方法によって、図1に示すように、大きく分けて屋根置き型と屋根建材型の2つに分類することができます。

屋根置き型
　屋根置き型は、既存の屋根に太陽電池パネルを追加して設置するタイプで、これにも、勾配屋根の瓦の上に枠型の架台を置いてパネルを設置するものと、陸屋根（フラットな屋根）の屋上に傾斜架台を置いてパネルを設置するものの2種類があります。

どちらの場合にも、標準的な太陽電池パネルを用いることができます。架台の設置が太陽電池設置のコストを増やす原因になるほか、既存住宅の耐重量工事が必要になる場合があります。また、屋根置き型・陸根用の場合、強風対策が重要です。

屋根建材型
　新設住宅の場合には、瓦の代わりに（b）に示すような防火性能と屋根材機能をもたせた屋根建材型パネルを設置できるので、瓦を葺くためのコストが不要になりますし、架台の重量の問題も回避できます。屋根建材型に、太陽電池を屋根材に組み込む屋根材一体型と、太陽電池自体が屋根材となる屋根材型（瓦型太陽電池モジュール）があります。
　壁に設置する太陽電池パネルにおいても、屋根と同様に、壁設置型（壁に架台を取りつけてパネルを設置）と壁建材型（太陽電池が壁建材となる）の2種類があります。
　光透過性をもつ太陽電池を用いた窓材型やトップルーフ型、ひさし型、ルーバー型などもあります。

太陽電池パネルは建材
建材型太陽電池パネルは瓦の代わりに葺くことができるので、瓦を葺くためのコストが不要となりますし、架台の重量の問題も回避できます。しかし実際には、瓦に代わる建材として建築基準法に合致する防水・防火・強度の要求を満たしていることが求められます。

防水機能
　建材一体型パネルは、屋根瓦と同等の防水機能が要求されます。屋根板の上に防水シートを貼り、レールを敷いてパネルの外枠を固定しますが、レール側面の防水のほか、パネル間の目地のシールが必要です。図1のように、台風を想定して、風速30m/s、散水量240mm/hの散水試験に耐える防水機能と排水機能がテストされます。

防火機能
　（028）で説明したように、モジュールはセルをガラスに貼りつけ、樹脂でシールした上にフィルムでカバーしますが、近隣火災の場合にフィルムが燃えたり、高温で融解したりして野地板に着火することを防ぐために、難燃性のフッ素樹脂系フィルムを使ったり、鋼板を組み合わせたりして防火機能を高めています。

強度
　パネルには強化ガラスが使われますが、JIS R 3206-2003に従って、約1kgの剛球を高さ100cmから落とす落球テストに合格する強度が求められます。パネル上を人が歩いて設置工事を行いますから、人が乗って歩けるのに十分な強度が保証されていなければなりません。

あなたの家の屋根も共同利用で地域集中連系型太陽光発電を実現
個別系統連系は不安定な発電所
　通常の家庭用太陽電池の場合、各戸が発電した電力を戸別で消費した残りの余剰電力を系統に供給します、図1に例示するように、各戸で戸別に系統連携すると、各戸からの出力と系統との間の電気の流れ（潮流）は、逆潮流（売電）と順潮流（買電）が頻繁に切り替わります。つまり、余剰のある場合は系統に供給されますが、不足だと系統から購入することになりますから、出入りの激しい不安定な発電所であることがわかります。戸別にパワーコンディショナーを置くのも非効率です。また、各戸が余剰電力を系統へ送る際に、送電の総電力が限界値を超えると、システム効率が低下します。

地域集中連系型太陽光発電システム
　戸別連系の問題点の解決につながるのが、地域集中連系型太陽光発電システムです。
このシステムでは、地域のすべての家の太陽光発電パネルからの直流出力をまとめて、集中パワーコンディショナー（系統連系装置）を通して交流に変換し、系統に供給します。さらには、日照の不安定さを補うために二次電池にたくわえるしくみをとると、安定した発電所として利用することができます。各戸は屋根を貸すだけで、供給量
に応じた売電代金を受け取ることができます。

ソーラータウンの実験が始まった
　このような地域集中連系型太陽光発電の取り組みが、ソーラータウンとして実施されています。図2はソーラータウンの概念図です。ソーラータウンは蓄電機能があるので、あとに述べるスマートグリッドの一要素になりえると考えられます。

各地に次々登場するメガソーラー発電所
メガソーラー発電所とはなにか
　1メガワット（1000kW）以上の出力の大規模太陽光発電所のことを、メガソーラー発電所と呼びます。従来の日本の太陽光発電の政策は戸別利用を対象としており、広い土地を必要とするメガソーラーの建設は遅れていました。しかし、低炭素社会を目指す世界的な潮流（電力買い取り制度の充実など）を受けて、わが国でもメガソーラー建設が必要であるとの認識が高まってきました。

メガソーラーの実証実験
　2005年、独立行政法人「新エネルギー・産業技術総合開発機構」（NEDO）は大規模電力供給用太陽光発電系統安定化等実証研究を公募し、北海道稚内市と山梨県北杜市にそれぞれ5MW、2MWの実証実験施設が建設され、2010年までの5年にわたって実験が行われました。実験では、

❶太陽電池モジュールの評価
❷パワーコンデョショナーの評価
❸架台の評価、追尾方法の評価
❹蓄電池で出力変動を抑制する技術の確立
❺積雪の影響の評価と対策

などが行われました。

各地に建設が進むメガソーラー発電所
　実証実験結果を受けて、図1に掲げるように、各地に多数の大規模太陽光発電所（メガソーラー）が建設されることとなり、一部で稼働が始まっています。図2は、東京電力と川崎市が共同で建設している20MWの浮島太陽光発電所の俯瞰図です。

スマートグリッドがもたらす電力イノベーション
スマートグリッドとは
　太陽電池や風力発電など、絶えず変動する自然エネルギーが送電網（グリッド）に供給されると、電圧や周波数の変動を生じることがあります。また、多数の分散型電源から系統への逆潮があると、その付近で配電線の電圧が高くなって、せっかく発電した電力を系統に供給できないという事態が生じることもあります。これを防ぐために、専用の機器やソフトウェアを組み込んだITの技術を使って、供給側と需要側のミスマッチをなくすとともに、電気自動車の電池を利用するなど、蓄電機能を系統全体に分散することによって安定化を図るのが、スマートグリッド（賢い送電網）の考え方です。

日本では低かったスマートグリッドのニーズ
　元来、この技術は受給ミスマッチによる停電を防ぐ目的で提唱されました。日本においては、以前から電力会社が、発電所・変電所・需要地を結ぶ送電網に光ファイバーを埋め込み、ITによる経済配電を行ってきましたから、電力品質は先進国の中でもきわめて高い水準（注）にあり、スマートグリッドのニーズは高くなかったのです。

自然エネルギー導入で注目されるスマートグリッド
　現在では、この技術は停電を防ぐだけでなく、ピークシフト効果、自然エネルギー導入、電気自動車の充電インフラ整備などにも役立つというので注目され、世界中でスマートシティ、スマートコミュニティの実証実験が行われています。
図1は、スマートコミュニティの概念図です。スマートグリッド実証試験は、中国の天津、アラブ首長国連邦、韓国の済州島などで先行しましたが、日本でも横浜市、豊田市、けいはんな学研都市、北九州市の4地域で行われています。

低コスト太陽電池を目指して材料・ウェハー化コストを下げるには
図1は、2007年における住宅用太陽光発電システム価格（46円/kWh）のコスト内訳を示したものです。このうち、工事費用が半分を占めていて、モジュールコストは20円/kWh程度になっています。NEDOの目標では、2020年度に14円/kWhとなっていますから、価格を1/3にまで減らさなければなりません。したがって、2020
年にはモジュールコストも1/3の7円/kWhにしなければならないのです。
結晶系シリコン太陽電池の場合、モジュールコストの半分をウェハーコスト（内訳は材料コストとウェハー化のコスト）が占めています。将来的には、第3章に書いたようなソーラーグレードシリコンによって、材料コストを下げられると考えていますが、当面はウェハーの厚さを現在の半分の100µmにすることも検討されています。このためには、ウェハー切断ロス（カーフロス）をどれだけ減らせるかが課題です。
薄膜系太陽電池材料の採用は、材料・ウェハー化コストの抜本的な解決策になります。薄膜系では、ガラスやプラスチックフィルムなどの安価な基板上に、スパッタ、真空蒸着、CVDなどで堆積させて、太陽電池材料薄膜を形成します。
　CIGS太陽電池は、安価な青板ガラス上に金属合金膜をスパッタし、この膜をチェンバ内でセレン化することで、低コストを実現しています。また、薄膜シリコン系やCIGS系では、フィルム基板を使ったロール・ツー・ロール法（図3）で高速に製膜できることが示されています。今後、さらに低コストで大面積の太陽電池膜を均一に作製するための方法として、スプレー法、塗布法、電気メッキ法なども研究されています。
　セル化・モジュール化のコストについては、生産規模が大きくなれば必然的に低下すると考えられます。また、透明導電膜や配線に使うレアメタルを減らすことも、コスト削減には有効です。

高効率太陽電池を目指して
究極の低コスト化は高効率化です。なぜなら、変換効率が倍になれば、同じ電力を半分の面積で発電できるので、材料コストも設置コストも半分ですみます。前章で述べたように、従来型の太陽電池シングルセルでは、変換効率30％を超えることが不可能です。したがって新しいコンセプトが必要です。それが量子ドットです。
　ナノテクノロジーが進展して、半導体の微細な構造をつくることが可能になり、図1に示すように、2次元、1次元、0次元と、低次元化することができるようになりました。（a）に示した半導体2次元構造の量子井戸では、電子は1方向（膜厚方向）に閉じ込められ、膜厚に垂直な2方向にしか自由に動けません。この状態を2次元電子ガスといいます。（b）に示す1次元構造の量子細線では、電子は細線の長手方向に垂直な2方向に閉じ込められ、自由度は1になります。さらに、（c）に示すように、0次元構造にしたのが量子ドットです。
図2は、量子ドットの電子状態を示しています。量子ドットは（a）のように、バンドギャップの大きな半導体に囲まれたバンドギャップの小さな半導体のナノサイズの箱です。電子の波は（b）のように、3方向に閉じ込められて運動の自由度がなくなるために、（c）エネルギー状態は幅のない量子準位になります。この量子準位のエネルギーは、量子ドットのサイズWを変えることによって制御できます。また、図3の（a）のように、量子ドット超格子（ナノサイズの間隔の配列）をつくると、（b）のようなミニバンドが生まれ、バンドギャップを人工的に制御することができます。
　光をあてると、いくつかのミニバンド間の遷移が起きるので、広い波長範囲の光を吸収し、効率よく電気に変えることができます。理論的には60％を超える高効率が期待されていますが、サイズのそろったドットを均一に並べることが技術的に難しく、高効率を実現するまでの道のりはまだまだ長いようです。

ありふれた材料で環境にやさしく太陽電池の元素戦略
表1に、クラーク数を30位まで掲げます。おおまかには、酸素（O）が半分、シリコン（Si）が1/4を占めています。クラーク数から見るかぎり、次世代においてもシリコンが最重要な太陽電池材料であり続けることは間違いないでしょう。太陽電池材料として研究されているガリウムヒ素（GaAs）、テルル化カドミウム（CdTe）も30位以内にありません。CIGS（CuIn1−xGaxSe2）についても、かろうじて銅（Cu）が25位に入っているだけなので、インジウム（In）に代えてスズ（Sn、30位）と亜鉛（Zn、31位）を使うCu2ZnSnS4 という4元化合物に置き換える研究が始まっています。ここでは、クラーク数4位の鉄（Fe）を使った太陽電池について紹介しておきましょう。

鉄系太陽電池
　鉄を使って太陽電池をつくる試みとしては、ベータ鉄シリサイド（β-FeSi：バンドギャップ0.85eV）と黄鉄鉱（FeS2：バンドギャップ0.95eV）があります。
　鉄シリサイドを使う太陽電池が実用化したという報告は、まだありません。実用化の段階にあるのは黄鉄鉱（パイライト）です。2009年5月にスウェーデンの自動車メーカーが開発したQuantaという自動車が、黄鉄鉱太陽電池を搭載していることで話題になりました。黄鉄鉱はありふれた金色の石（図1）です。金色の原因は、図2に示すように、吸収係数が6×10＾5cm−1に達する強い光吸収遷移が1～2.5eVに存在することによります。この強い吸収は、図3に示すように、価電子帯の頂と伝導帯の底がともにバンド幅の狭い鉄の3d電子軌道に由来しているため、状態密度が高いからであると考えられます。このため、FeS2 薄膜の膜厚は20nm程度でよく、これをp型、n型のワイドギャップ半導体で挟んだ構造によって光起電力を取りだすので、一種の色素増感太陽電池となっています（注）。集光型黄鉄鉱太陽電池は50％の変換効率が得られると報道されていますが、詳細は不明です。