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太陽光で発電する木・・・? 太陽電池の可能性

2009 - 07/14 [Tue] - 20:56

暑い、暑い
昨日は猛暑日でしたが、今日も負けずに暑いです。
事務所がムッっとするのでエアコンの温度を1℃下げます。
すると今度は寒くなって肩がバリバリに張ってきます。
なんでたった1℃の違いでこうも違うんでしょう?
どうしてジャストミートで快適な設定になってくれないんでしょうか(T_T)

毎日、設定温度を上げたり下げたりの繰り返しです。
「FPの家」ならこんなことないのに……

ず~っと、27℃のまま

設定温度なんかいじらないでも快適、快適\(^o^)/
省エネ温度は【28℃】っていわれてますが、
わが家で【28℃】の冷房運転なんかするとかえって冷え過ぎるくらい。
そこで27℃で除湿運転してるんですが、
暑からず寒からずとっても”塩梅”がgoodです。
10年も前の冷房専用エアコンだから、
「再熱」なんていう余計な機能が付いていないのがかえって幸いしてるみたいです


さて、お仕事お仕事。

まにあっくが注目してるのは、太陽電池でも色素増感太陽電池です。
太陽電池のコストダウンを実現すると期待されていますが、
その他にもユニークな特徴があります。

色素増感太陽電池の”心臓部”は酸化チタンですが、
ここに太陽光から集めたエネルギーを送る増感色素の役割も重要です。
今日までに知られている中で最も高い吸収効率を実現しているのは、
「N749」というルテニウム金属錯体色素です。
600nm付近の可視光に吸収極大を示しますが、
様々な波長の太陽光をムラなく吸収できます。
そこで黒い色となり、「Black dye」とも呼ばれてる。

同じルテニウム金属錯体の「N719」もよく使われますが、
こちらの吸収帯は波長のより短い光になるようです。
そのため赤い色となり、「Red dye」と呼ばれます。
【dye】っていうのは「色素」とか「染料」を意味する英語。
「ヘアダイ」なんて言葉を使うでしょ? 染毛剤のことです

図をクリックすると拡大します
色素増感太陽電池-3

「N749」と「N719」はほぼ同じような化学構造をしています。
ピリジル基やイソチオシアノ基がルテニウム(Ru)をぐるっと取り囲み、
これをキレート(chelate)している金属錯体です。
同じような”形”をどこかで見た覚えがありませんか?
クロロフィルやシトクロムもやっぱり金属錯体でした。

ただし、ルテニウムは白金族に属するレアメタルの一つです。
資源的に難があるわけで、
現在様々な色素の開発が進められています。
中でも安く手に入る有機色素が注目されており、
その一例として、【図】では「クマリン系色素」を紹介しておきました。

ところで、クマリンって聞いたことがありますか?
天然ではセリ科やミカン科などの植物にも含まれています。
【ポリフェノール】の一つにも数えられますが、
桜の葉の香り成分としても有名です。
このクマリンに五角形をしたフラン環が結合するとプソラレンになります。
こちらもセリ科のセロリやパセリ、あるいはイチジクにも含まれる天然成分です。
プソラレンには光毒性がありますが、
紫外線のエネルギーを効率よく吸収し、これを皮膚に放出するのが原因です。
これって、クマリン系色素の働きと同じじゃありませんか?

化学物質を【合成】とか【天然】で区別するのは間違い――だってわかるでしょ!

このブログがまにあっくすぎると辟易していらっしゃる方も多いでしょうが、
根本から理解することはとっても大切だと思うのです。
重要なのは、化学物質が体内でどのように”振舞う”かという問題です。

たとえば、ポリフェノールが健康にいいとされるのは活性酸素を消去するから。
具体的にいえば、活性酸素に電子( e- )を渡して【還元】してくれる。
ポリフェノール自身は【酸化】するわけですね。
でも【酸化】したポリフェノールをそのまま放置すると、
今度は他人から e- を奪って元に戻ろうとします。 
そこでポリフェノールが暴れる前に e- を渡す化学物質が活躍する。
すると、今度はそれを元に戻す化学物質が……

このように、生体内でも酸化還元反応の連鎖が起こっているわけです。
ポリフェノールだけで抗酸化力がUPするのではなく、
体内の酸化還元系(レドックス系)がきちんと機能することが重要。
許容量を考えないで過剰なポリフェノールを摂取すれば、
【酸化】されたポリフェノールがかえって”悪さ”をすることになります。
いずれ機会があったら、ポリフェノールや活性酸素もまにあっくしますね!

いつものことながら、横道にそれました。
本題に戻りましょう。

いろんな色の増感色素を使えば、太陽電池はとてもカラフルになります。
確かに、増感色素として最も効果的なのは”黒色系”の色素です。
人間が持ってる色素だって、やっぱり”黒い”メラニン色素でしょ?
そこでカラフルな太陽電池の光吸収効率は悪くなるでしょうが、
カラーバリエーションが増えることでメリットも生まれます。

吉田司先生(岐阜大学)が開発を進めているのも、
その名もズバリ、【レインボーセル】というフィルム型太陽電池です。
カラフルな太陽電池がどんな”可能性”を秘めているのか、
その目で確認したい方は下の【図】をクリックしてください。

図をクリックすると、レインボーセルの紹介ページに移動します
色素増感太陽電池-4
図は吉田研究室HPからの引用

ところで、どうして太陽電池を屋根に載せるんでしょう?

日当りがいいからでしょ?

それなら、以前紹介した発電シュミレーションを思い出してください。
これは熊谷市に4.16kWのシリコン太陽電池を設置した場合の予想発電量ですが、
合計すると1年間で 4537kWh になります。
ちなみに、熊谷市の年間日照時間は約2000時間にも達します。
そこで単純計算すれば……

  4.16(kW)×2000(h)=8320(kWh)

でも実際の予想発電量は、この半分にしかなりません。

なぜ(?_?)

その理由は、
設置する方位や傾斜角、あるいは季節や時間で日射量が変わるからです。
つまり、太陽光の”エネルギー密度”が条件次第で変わるということ。
最適な【入射角】でエネルギーのぎゅっと詰まった太陽光を当てるには、
屋根の上がうってつけじゃありませんか?
シリコン太陽電池は設置する条件や環境に左右されます。
ところが、結晶シリコンは熱くなるのが苦手。
温度が上がると発電電圧が下って効率が悪くなります。
日照時間は長いはずなのに、夏の発電量が下るのはそのせいです。

ところが、色素増感太陽電池は時と場所を選びません。
まずは次の【図】をご覧下さい。

色素増感太陽電池-5

昨日も紹介した宮坂力先生(桐蔭横浜大学)の報告書から引用させて頂きましたm(__)m
青い線の【多結晶シリコン】は、
浅い入射角の太陽光になると極端に発電効率が低下してるでしょ?
そこで、できるだけ光が垂直に当たるようにしなくっちゃならないんです。
それに比べて、ピンクの線で表された【色素増感】はどうですか?
光の入射角の許容範囲が広いでしょ?
入射角70度では【多結晶シリコン】の2倍以上の光利用率になります。

その秘密は、平らじゃないからです。
結晶シリコンの表は鏡面、ほぼ真っ平らといっていいでしょう。
ところが酸化チタン電極は多孔膜のため、
実際にはナノサイズの”でこぼこだらけ”になっています。
そのおかげで、様々な角度の光にフレキシブルに対応できるんです。

太陽光は上から降り注ぐ直射光だけではなく、
むしろ拡散光(散乱光)の方が多いそうです。
【結晶シリコン】ではこういった拡散光を利用できないことになりますが、
【色素増感】なら利用できます。
そこで、曇っていてもそれなりの発電をする。
お日様が隠れてしまったときの発電効率は、
むしろ色素増感太陽電池の方が上回るそうです。
この特性を活かせば……、

太陽電池の活躍するフィールドは無限に広がる

設置場所は”屋根”に限定されません。
壁面に貼り付けてもOK、重量が軽いので全く問題ありません。
事実、色素増感太陽電池を外壁にはめ込んだ実験住宅もあるそうですよ。
それどころか、光の弱い屋内でも発電します。
照明の灯りですら発電するんです!
そうなると、
外壁どころか室内の壁で発電することだってできちゃう。

そうはいっても、光量が少なくなれば発電量は落ちます。
十分な電気を得るには設置面積を広くする必要が……

家の中が太陽電池だらけになっちゃう(>_<)

そんなときは、”太陽電池のマンション”にすればいいんじゃないでしょうか?
結晶シリコンのように横に広げるんじゃなく、上に広げていく。
イメージとしてはこんな感じ……
色素増感太陽電池-6
緑色の葉の1枚1枚が太陽電池だと考えて下さい。
効率よく光を集めるため、植物は枝を広げ無数の葉を茂らせます。
色素増感太陽電池の仕組みは「光合成にそっくり」といわれてますが、
”姿や形”だって植物に見習う点は多いと思うのです。
まさに……

太陽光で発電する木――というわけ。

もちろん、これは自然の木じゃありません。
太陽電池も人工物。
合成された化学物質で作られています。
でも、壁に無垢材を貼った家なんかより、
よっぽどECOだと思いませんか?

天然のもの、自然のものを使うくらいで自慢しないで欲しい!
謙虚になって自然から学び、
自然の仕組みを人類の幸福実現に活かしていくことこそECO――
常日頃、私はそう考えています。
自然を知らず、自然を理解しようとしない「外見だけのECO」なんて、
失礼ながら、まにあっくは全く興味ありません。


低コストという点ではとっても魅力的ですが、
色素増感太陽電池にはまだまだ課題も山積しています。
変換効率のUPとともに、耐久性を高める必要があるでしょう。
こうした課題は必ず克服され、
さらに魅力的な太陽電池に進化する―― 楽しみに待ってます (*^_^*)


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