太陽光発電所は海上に浮かんでいます。私たちは将来、食糧を海に頼ることになるのでしょうか？

太陽光パネルは陸上にしか設置できないのでしょうか？いいえ！海面上に敷設することも可能です。最近、わが国最大の洋上太陽光発電プロジェクトである中国核工業集団の天湾200万キロワット干潟太陽光発電実証プロジェクトが江蘇省連雲港市で正式に建設を開始しました。プロジェクトが完全に完了すると、中国核工業集団の天湾原子力基地と結合し、総設備容量が1,000万キロワットを超える大規模なクリーンエネルギー基地が形成され、年間177万トンの炭素排出量を削減できる。

これは信じられない。海がどれだけ大きいか考えてみてください。この考えに従って海面にさらに多くの太陽光パネルを設置すれば、エネルギー問題は大幅に緩和されるでしょう。つまり、私が上で述べたプロジェクトは単なる「実証プロジェクト」であり、つまり、これは現在我が国で最大の洋上太陽光発電所であり、単なるモデルに過ぎないのです。校正は完了し、次のステップはレプリケーションを展開することです。洋上太陽光発電には、まだ想像力を働かせる余地がたくさんあります。

さて、太陽光発電所を海上に設置することの具体的なメリットは何でしょうか？どのような課題に直面するのでしょうか?どのように対応すべきでしょうか?これについては以下で簡単に説明しましょう。

まず、洋上太陽光発電のメリットについてお話しします。これは次の 4 つにまとめられます。まず、洋上太陽光発電所は陸上の土地資源を大幅に節約することができ、これが最も重要なメリットの 1 つです。現在、多くの国や地域、特に都市部や工業が発達した地域では土地資源が不足しています。大規模な太陽光発電所の建設では、土地不足の問題に直面することが多い。太陽光発電所を海上に移転すれば、農業や都市建設などの分野との土地の争奪を回避できるだけでなく、陸上の他の重要な用途に使えるスペースも増える。例えば、農地は引き続き食料生産に利用し、都市の土地は住宅や商業施設として開発することができ、土地資源の利用が最適化されます。

第二に、洋上太陽光発電所は土地利用の紛争を効果的に回避することができます。陸上太陽光発電所の建設には、広大な土地に太陽光発電パネルを設置する必要があることが多く、農業、畜産、林業などの産業との衝突を引き起こしたり、生態系に損害を与えたりする可能性があります。洋上太陽光発電所ではこうした問題はまったく発生しません。これらは海上に浮かんでおり、土地を占有せず、土地の本来の用途に影響を与えません。したがって、洋上太陽光発電所は、既存の生態系や経済活動を破壊することなく大量のクリーンエネルギーを提供することができ、真にグリーン開発と持続可能な開発を実現します。

第三に、洋上太陽光発電所の独特な環境条件は、太陽光パネルの発電効率の向上に役立ちます。まず、海面の反射率が高いため、太陽光発電パネルが受ける太陽光の量が増え、発電効率が向上します。第二に、海洋環境の温度は比較的安定しており、水面は太陽光発電パネルに自然な冷却効果をもたらすため、高温が太陽光発電パネルの性能に与える悪影響を回避できます。高温になると、太陽光発電パネルの光電変換効率が低下します。海上では、太陽光パネルは海風や水による冷却効果を受け、温度が比較的低いため、より高い発電効率を維持できます。さらに、海の空気はより新鮮で、ほこりや汚染物質が少なく、太陽光発電パネルの表面もよりきれいなので、太陽エネルギーをより効率的に吸収することができます。

第四に、洋上太陽光発電所は環境に非常に優しいです。陸上の太陽光発電所と比較すると、洋上太陽光発電所は生態環境への影響が少ないです。森林、湿地、草原などの重要な生態系など、陸上の生態学的に敏感な地域を占有せず、動物や植物の生息地への被害を効果的に回避できます。さらに、合理的なレイアウトと科学的な設計により、洋上太陽光発電所は海洋生物や生態系への影響を最小限に抑えることができます。一部の設計では海洋生物の生息環境も考慮されており、環境に優しい材料や構造を採用することで、太陽光発電所が周囲の生態環境と調和して共存し、真に人間と自然の調和のとれた発展を実現しています。

上記の利点から、洋上太陽光発電所は、世界的なエネルギー変換と生態系保護のための新しいソリューションを提供するため、将来のクリーンエネルギー開発の重要な方向性の 1 つであることがわかります。しかし、この解決策にも多くの課題があります。海上にいることには当然多くの利点がありますが、多くの欠点もあります。海洋環境では、高濃度の塩分が太陽光発電所が直面する主な課題の 1 つです。

海水や海風に含まれる塩分が塩霧を形成し、太陽光発電設備の表面に付着して深刻な腐食問題を引き起こします。ブラケット、接続箱、ケーブルなどの金属部品が塩水噴霧に長時間さらされると、酸化反応が起こり、材料の強度が低下し、構造上の損傷や電気的な短絡さえも引き起こします。この腐食は機器の寿命を縮めるだけでなく、メンテナンスや交換のコストも増加させます。研究によると、塩水噴霧は電子部品に特に大きな影響を及ぼし、接触不良や電気性能の低下を引き起こす可能性があります。

第二に、海洋環境の高湿度も太陽光発電所の運用に大きな課題をもたらします。湿度が高いと、空気中の水蒸気が機器や電気接続部内で水滴となって凝縮し、結露が発生しやすくなります。この結露により電気絶縁が劣化し、漏電やショートのリスクが高まります。さらに、長期間の湿気の多い環境では、太陽光発電モジュールの梱包材が劣化して剥がれ落ち、太陽光発電パネルの光電変換効率と全体的な信頼性に影響を与えます。特に温度差が大きい環境では、昼夜の温度差による結露と蒸発のサイクルにより、機器の劣化や損傷が進行します。

同時に、海面温度は陸地に比べて比較的安定しているものの、洋上太陽光発電所は強い日差しの下では依然として高温という課題に直面しています。高温環境では太陽光発電モジュールの電気的性能が大幅に低下し、主に出力電力の低下と効率の低下として現れます。太陽光発電モジュールの温度係数によると、温度が1℃上昇するごとに太陽光発電モジュールの効率は0.4%～0.5%低下します。さらに、高温により、バックプレーン材料の熱酸化劣化やパッケージング材料の熱破損など、太陽光発電材料の劣化が加速され、機器の耐用年数が短くなります。これは、洋上太陽光発電所の長期的な運用と経済性にとって厳しい試練となる。

上記の要因に加えて、海洋環境の動的特性も、太陽光発電所が対処しなければならない課題の 1 つです。海面の風や波の変化により、太陽光発電設備の機械構造に追加の動的負荷がかかります。特に嵐や波の激しい天候では、太陽光発電パネルとブラケットは風や波の衝撃や揺れに耐えられるだけの強度と靭性を備えている必要があります。さらに、海の潮の満ち引き​​は太陽光発電所の浮体システムの安定性に影響を与えます。

したがって、上記の課題を解決するためには、材料の選択と研究開発、構造設計、システム設計、保護設計に多大な努力を払う必要があります。高塩分の海洋環境での腐食問題に直面した場合、特殊な耐腐食性材料を使用し、防錆コーティングと陽極酸化材料の保護を強化する必要があります。高湿度環境での防水・防湿の問題に直面した場合、密閉、防湿、除湿の面で十分な対策を講じる必要があります。太陽光発電モジュールや電気接続箱などの重要部品には、機器内部への水蒸気の侵入を防ぐため、シリコンシーリングリングやブチルゴムなどの高効率シール材が使用されています。特にケーブルの接合部や接続部では、結露や短絡を防ぐために完全な密閉を確保する必要があります。

太陽光発電モジュールは、優れた防湿性を持ち、効果的に湿気を遮断できるエチレン酢酸ビニル共重合体（EVA）やポリフッ化ビニリデン（PVDF）などの高品質の包装材料を使用した防湿包装で梱包されています。電気キャビネットや制御室にヒーターや除湿器などの除湿装置を設置して、内部環境を乾燥した状態に保ち、結露を防止します。

次に、高温環境に直面した場合、より優れた熱管理材料を組み合わせてより効率的な冷却システムを設計し、空冷と水冷を使用して機器の内部から外部環境に熱を移動させ、放熱効率を向上させる必要があります。動的な海洋環境の課題に対処するために、洋上太陽光発電所は高度な機械的安定性と適応性を備えている必要があります。

この問題を解決する鍵となるのは、次の構造システムです。

浮遊システムにより浮力と安定性が均等に分散され、風や波に対する抵抗力が向上します。同時に、浮体プラットフォームは波の起伏に適応するためにある程度の柔軟性を備えている必要があります。

弾性アンカーチェーンや適応アンカー技術などの柔軟なアンカーシステムにより、潮汐の変化や風や波の影響下でも太陽光発電所の安定性が確保されます。十分な固定力を確保するために、アンカーシステムは海底の地質条件に応じて最適に設計する必要があります。

ブラケットの剛性を高めたり、振動低減装置を使用したりといった耐風・耐波構造により、強風や高波の中でも太陽光発電パネルが安定した状態を保ちます。

つまり、課題はたくさんあります。しかし、あなたがエンジニアであれば、おそらく今非常に興奮していることでしょう。課題があるところにはチャンスがあり、チャンスがあるところには未来が創造されます。ステージが大きければ大きいほど、パフォーマンスするスペースも広がります!開発の余地といえば、太陽光発電の今後の開発空間は、実は海面だけにとどまりません。屋根、壁、農地、砂漠、さらには線路にも存在します。

農地の上部に太陽光発電パネルを設置し、作物が十分な光を受け取れるようパネルの高さや間隔を調整します。同時に、太陽光発電パネルは直射日光を減らし、表面温度と蒸発を下げ、作物の収穫量と品質の向上にも役立ちます。

牧草地に電力を供給し、家畜に日陰と隠れ場所を提供するために、牧草地の上に太陽光発電パネルが設置されています。太陽光発電パネルは、草の蒸発を減らし、草の収穫量を増やし、牧草地の持続可能性を高めることができます。砂漠太陽光発電所の建設時には、生態修復技術を組み合わせることで、植生の修復と水資源管理を通じて砂漠環境を改善し、砂漠化のさらなる拡大を防ぐことができます。このモデルは再生可能エネルギーの利用を実現するだけでなく、生態系保護を促進することもできます。これらはすべて一つ一つ検証されています。宇宙太陽光発電所という概念は、以前はSFの世界だけでしか存在しなかったが、今や現実のものとなりつつある。

宇宙の高強度太陽放射を利用して電力を生成するために、地球軌道上に大型太陽光発電アレイを配備します。宇宙太陽光発電所は大気の遮蔽がなく、昼夜の制限もないため、24時間太陽エネルギーを受け取ることができ、発電効率は地上の太陽光発電システムよりもはるかに高くなります。

宇宙太陽光発電所で発電された電気は、マイクロ波やレーザーを介して地上の受信局に送られ、人間が使用できる電力に変換されます。宇宙太陽光発電の実現には、無線エネルギー伝送技術のブレークスルーが鍵となり、エネルギー伝送効率と安全性の問題を解決する必要があります。そして、この重要な技術は解明されつつあるようです。

昨年 6 月、カリフォルニア工科大学が開発したマイクロ波アレイ電力伝送低軌道実験 (MAPLE) により、宇宙から地球への電気無線電力伝送が成功裏に実証されました。研究者たちは地上の受信機を使用して、MAPLE が宇宙の地上設置受信機に電力を正常に送信できることを確認しました。

テストの結果、信号は予想された時間と周波数で現れ、カリフォルニア工科大学パサデナ校のキャンパスにあるゴードン・アンド・ベティ・ムーア工学研究所の屋上にある受信機によって検出されたことがわかった。受信機アレイがエネルギーを受信すると、それを直流に変換し、一対の LED を点灯して、宇宙空間での長距離にわたる無線エネルギー転送の完全なシーケンスを実証しました。 MAPLE は、各 LED を個別に点灯し、それらを切り替えることに成功して、宇宙でこのテストを達成しました。

そのため、宇宙に太陽光発電アレイを送り、宇宙で太陽光を利用して太陽光発電を行い、その電気エネルギーをマイクロ波に変換して地球に送信し、そのマイクロ波を地球に設置した受信機で受信して電気エネルギーに変換するという、SFのような構想の実現にどんどん近づいています。

もちろん、千里の道も一歩から始まります。太陽光発電の未来には無限の想像があります。私たちは、現実的に行動し、一歩一歩をしっかりと踏み出す必要があります。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。

著者: ガン・シュドン、ポピュラーサイエンスクリエイター

査読者: 左 玉華、中国科学院半導体研究所研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司